Modellazione CFD di flussi bifase in ebollizione nel regime di moto a tappi con una tecnica di tipo interface capturing

Questa tesi si è posta l'obiettivo di migliorare il codice commerciale CFD Ansys Fluent, per ottenere un solutore in grado di compiere simulazioni accurate di flussi in ebollizione nel regime slug flow. Un codice numerico affidabile permette una miglior comprensione della dinamica della bolla causata dall'evaporazione, rendendo possibile la stima dello scambio termico alla parete. Per limitare il costo computazionale delle simulazioni, il problema è modellato con una formulazione assialsimmetrica. Le fasi liquido e vapore sono incomprimibili ed in moto laminare. Attraverso un approccio di tipo single fluid, le equazioni che governano il moto sono scritte come per un flusso a fase singola, tuttavia discontinuità ed effetti di interfaccia vanno introdotti e discretizzati propriamente. Fluent dispone di una tecnica di tipo Volume-of-Fluid per l'avvezione dell'interfaccia e per mappare le discontinue proprietà del fluido su tutto il dominio. Nello slug flow gli effetti di interfaccia sono dominanti, di conseguenza l'accuratezza con cui essi sono calcolati è fondamentale per la veridicità del solutore. A tale scopo, sono state introdotte nel codice numerico delle funzioni esterne, sviluppate appositamente per il calcolo della tensione superficiale e dello scambio di massa ed energia all'interfaccia come conseguenza dell'evaporazione. Le migliori prestazioni del codice modificato rispetto a quello originale sono dimostrate attraverso numerosi casi test. Per provare la validità del nuovo codice numerico nella riproduzione di reali configurazioni di flusso, sono stati simulati diversi flussi adiabatici ed il confronto con i risultati sperimentali è molto positivo. La simulazione dell'evaporazione di una bolla singola evidenzia che la convezione transitoria nel liquido, successivamente al passaggio della bolla, ha un effetto dominante sul coefficiente di scambio termico globale. La simulazione di bolle multiple che evaporano in sequenza mostra che la loro influenza reciproca migliora notevolmente il coefficiente di scambio, fino a due volte il valore a fase singola.