Direct numerical simulation of a single rising bubble: determining aspect ratio and interfacial area

The bubble shape is a key parameter in the modeling and design of multiphase reactors. This work aims to increase the knowledge about systems where a single bubble rises in a liquid phase due to buoyancy. The in-house software Fujin, developed at Okinawa Institute of Science and Technology, was validated and used to simulate single rising bubbles with a Volume of Fluid (VOF) method. A wide range of cases was simulated in the range of log10Mo between -11 and +8 and Eo between 10^−2 and 10^3. A new correlation for single bubbles was then found, correlating the Eötvös and the Reynolds numbers to the aspect ratio of the bubble. Few cases in the wobbling regime displayed an oscillatory behavior and in these cases it was calculated the period and the mean aspect ratio. Additionally, some considerations were made on the aspect ratio for bubble swarms. In order to describe the more deformed configurations, like the skirted bubbles, the interfacial area was also calculated and a correlation predicting it as a function of Eötvös and Weber numbers is proposed.

La forma che assumono le bolle è un parametro chiave nella fase di modellazione e progettazione di reattori multifase. Questo studio ha l’obiettivo di approfondire la conoscenza dei sistemi in cui una singola bolla sale in un liquido, spinta dalla forza di gravità. Il software proprietario "Fujin", sviluppato presso l’Okinawa Institute of Science and Technology, è stato validato e utilizzato per simulare il moto di bolle singole mediante il metodo Volume of Fluid (VOF). Sono stati simulati numerosi casi in un intervallo di log10Mo compreso tra -11 e +8 e Eo tra 10^−2 e 10^3. È stata quindi ricavata una nuova correlazione per bolle singole, che mette in relazione il numero di Eötvös e il numero di Reynolds con il rapporto d’aspetto della bolla. Alcuni casi sono stati simulati nel regime oscillatorio; per questi casi sono stati calcolati il periodo e il rapporto d’aspetto medio. Inoltre, sono state fatte alcune considerazioni sul rapporto d’aspetto sugli sciami di bolle. Per descrivere meglio le configurazioni più deformate, come le bolle con "gonna" (skirted bubbles), è stata calcolata anche l’area interfaciale, proponendo una nuova correlazione in funzione dei numeri di Eötvös e Weber.