Assessment of turbulence and bubble-induced turbulence models for the CFD simulation of two-phase bubble columns

A systematic investigation of turbulence modeling in bubble columns was conducted using the open-source software OpenFOAM. This study evaluates the simulation performance of the k-ε model, the k-ω SST model, the LES model, several existing bubble-induced turbulence (BIT) models, and a novel BIT model proposed by the author. The proposed BIT model integrates two existing frameworks by coupling the additional bubble-induced contribution to the turbulent viscosity and bubble-induced source term. The simulation results were first validated against experimental data, demonstrating the reliability of the numerical approach. Furthermore, a comparative analysis of different turbulence models under various post-processing parameters was performed to assess the accuracy and robustness of the computational framework. The results provide quantitative guidelines for model selection in multiphase flow simulations, while highlighting persistent challenges in capturing small-scale phenomena. These findings offer valuable insights into the applicability and limitations of turbulence models for bubble column simulations.

Un'indagine sistematica sulla modellazione della turbolenza nelle colonne a bolle è stata condotta utilizzando il software open-source OpenFOAM. Questo studio valuta le prestazioni di simulazione del modello k-ε, del modello k-ω SST, del modello LES, di diversi modelli esistenti di turbolenza indotta dalle bolle (BIT) e di un nuovo modello BIT proposto dall'autore. Il modello BIT proposto integra due strutture esistenti accoppiando il contributo aggiuntivo indotto dalle bolle alla viscosità turbolenta e al termine sorgente indotto dalle bolle. I risultati della simulazione sono stati inizialmente convalidati confrontandoli con dati sperimentali, dimostrando l'affidabilità dell'approccio numerico. Inoltre, è stata effettuata un'analisi comparativa di diversi modelli di turbolenza sotto vari parametri di post-elaborazione per valutare l'accuratezza e la robustezza del quadro computazionale. I risultati forniscono linee guida quantitative per la selezione dei modelli nelle simulazioni di flussi multifase, evidenziando al contempo le sfide persistenti nella cattura dei fenomeni su piccola scala. Questi risultati offrono preziose indicazioni sull'applicabilità e le limitazioni dei modelli di turbolenza per la simulazione delle colonne a bolle.