Numerical investigation of pressure fluctuations in coupled DEM-CFD simulations of fluidized beds

DEM-CFD simulations are widely used to study fluidized beds, providing valuable insights into their complex dynamics. However, these simulations require further investigations to enhance their accuracy and reliability. This thesis focuses on the issue of artificial pressure fluctuations, which can compromise the validity of simulations. The study investigates the conditions under which these fluctuations arise by analyzing the effects of domain geometry, mesh type, mesh resolution, and time step magnitude on pressure behavior. Simulations were conducted using different reactor geometries and mesh configurations, systematically varying the time step to assess its influence on pressure stability. The results indicate that pressure fluctuations are highly sensitive to the choice of CFD time step, with smaller time steps amplifying oscillations, particularly in small-diameter reactors. Additionally, polyhedral-based meshes were found to exacerbate pressure instabilities compared to alternative mesh types. These findings provide key insights on the nature of artificial pressure fluctuations, contributing to the improvement of DEM-CFD simulations of fluidized beds and ensuring more reliable numerical predictions for industrial applications.

Le simulazioni DEM-CFD rappresentano uno strumento fondamentale per lo studio dei letti fluidizzati, capace di fornire informazioni preziose sulla loro complessa dinamica. Tuttavia, per migliorarne l’accuratezza e l’affidabilità, sono ancora necessari perfezionamenti. Questa tesi si concentra sul problema delle fluttuazioni artificiali di pressione, che possono compromettere la validità delle simulazioni. Lo studio analizza le condizioni in cui tali fluttuazioni si manifestano, esaminando l’influenza della geometria del dominio, della tipologia e della risoluzione della griglia CFD, nonché della grandezza del \textit{time step}. Le simulazioni sono state condotte su diverse configurazioni di reattore e griglia, variando sistematicamente il \textit{time step} per valutarne l’impatto sulla stabilità della pressione. I risultati mostrano che le fluttuazioni di pressione sono fortemente influenzate dal \textit{time step} CFD, con oscillazioni che diventano più ampie al diminuire del suo valore, in particolare nei reattori di piccolo diametro. Inoltre, le griglie a base poliedrica si sono rivelate più suscettibili a instabilità nella determinazione della pressione. Questi risultati forniscono spunti fondamentali per comprendere la natura delle fluttuazioni artificiali di pressione, contribuendo a migliorare le simulazioni DEM-CFD dei letti fluidizzati e garantendo previsioni numeriche più affidabili per le applicazioni industriali.