CFD simulation of complex phenomena containing suspensions and flow throughporous media

There is an increasing reliance on computers to solve complex engineering problems. This is because computers, in addition to supporting the development and implementation of adequate and clear models, can especially minimize the financial support required. The ability of computers to perform complex calculations at high speed has enabled the creation of highly complex systems to model real-world phenomena. The complexity of the fluid dynamics problem makes it difficult or impossible to solve equations of an object in a flow exactly. Approximate solutions can be obtained by construction and measurement of prototypes placed in a flow, or by use of a numerical simulation. Since usage of prototypes can be prohibitively time-consuming and expensive, many have turned to simulations to provide insight during the engineering process. In this case the simulation setup and parameters can be altered much more easily than one could with a real-world experiment. The objective of this research work is to develop numerical models for different suspensions (fiber suspensions, blood flow through microvessels and branching geometries, and magnetic fluids), and also fluid flow through porous media. The models will have merit as a scientific tool and will also have practical application in industries. Most of the numerical simulations were done by the commercial software, Fluent, and user defined functions were added to apply a multiscale method and magnetic field. The results from simulation of fiber suspension can elucidate the physics behind the break up of a fiber floc, opening the possibility for developing a meaningful numerical model of the fiber flow. The simulation of blood movement from an arteriole through a venule via a capillary showed that the model based on VOF can successfully predict the deformation and flow of RBCs in an arteriole. Furthermore, the result corresponds to the experimental observation illustrates that the RBC is deformed during the movement. The concluding remarks presented, provide a correct methodology and a mathematical and numerical framework for the simulation of blood flows in branching. Analysis of ferrofluids simulations indicate that the magnetic Soret effect can be even higher than the conventional one and its strength depends on the strength of magnetic field, confirmed experimentally by Völker and Odenbach. It was also shown that when a magnetic field is perpendicular to the temperature gradient, there will be additional increase in the heat transfer compared to the cases where the magnetic field is parallel to the temperature gradient. In addition, the statistical evaluation (Taguchi technique) on magnetic fluids showed that the temperature and initial concentration of the magnetic phase exert the maximum and minimum contribution to the thermodiffusion, respectively. In the simulation of flow through porous media, dimensionless pressure drop was studied at different Reynolds numbers, based on pore permeability and interstitial fluid velocity. The obtained results agreed well with the correlation of Macdonald et al. (1979) for the range of actual flow Reynolds studied. Furthermore, calculated results for the dispersion coefficients in the cylinder geometry were found to be in agreement with those of Seymour and Callaghan.

CFD Simulation of Two-phase and Three-phase Flows in Internal-loop Airlift

Airlift reactors are pneumatically agitated reactors that have been widely used in chemical, petrochemical, and bioprocess industries, such as fermentation and wastewater treatment. Computational Fluid Dynamics (CFD) has become more popular approach for design, scale-up and performance evaluation of such reactors. In the present work numerical simulations for internal-loop airlift reactors were performed using the transient Eulerian model with CFD package, ANSYS Fluent 12.1. The turbulence in the liquid phase is described using κ- ε the model. Global hydrodynamic parameters like gas holdup, gas velocity and liquid velocity have been investigated for a range of superficial gas velocities, both with 2D and 3D simulations. Moreover, the study of geometry and scale influence on the reactor have been considered. The results suggest that both, geometry and scale have significant effects on the hydrodynamic parameters, which may have substantial effects on the reactor performance. Grid refinement and time-step size effect have been discussed. Numerical calculations with gas-liquid-solid three-phase flow system have been carried out to investigate the effect of solid loading, solid particle size and solid density on the hydrodynamic characteristics of internal loop airlift reactor with different superficial gas velocities. It was observed that averaged gas holdup is significantly decreased with increasing slurry concentration. Simulations show that the riser gas holdup decreases with increase in solid particle diameter. In addition, it was found that the averaged solid holdup increases in the riser section with the increase of solid density. These produced results reveal that CFD have excellent potential to simulate two-phase and three-phase flow system.

Kuulakekoreaktorin sydämen jäähdytevirtauksen CFD-mallinnus

Kandidaatintyössä luotiin CFD-malli mallintamaan jäähdytevirtausta kuulakekoreaktorin sydämessä käyttämällä Ansys Fluent -ohjelmaa. Mallin avulla tarkasteltiin virtauksen käyttäymistä ja painehäviötä ja saatuja tuloksia verrattiin aiempiin tutkimuksiin. Kandidaatin työssä on myös kerrottu mallintamisen etenemisestä ja laskentateoriaa.

Uraaniheksafluoridin faasimuutoksen CFD-mallinnus

Diplomityön tarkoituksena on luoda uraaniheksafluoridista käyttäjän määrittelemä aine kaupallisen virtauslaskentaohjelmiston (FLUENT) ainekirjastoon ja simuloida aineen käyttäytymistä sulaessa ja kiinteyttäessä. Työn kirjallisuusosassa on esitelty aiempia tutkimuksia uraaniheksafluoridin termodynaamisista ominaisuuksista, joita käytetään aineen määrittelyssä. Kokeellisessa osassa on käytetty virtauslaskentaohjelmiston Eulerilaista monifaasimallia sulamisen ja kiinteytymisen tarkasteluun kaksidimensionaalisessa sylinterissä.

CFD modeling of dispersion water feed in wastewater cleaning application

Fluid particle breakup and coalescence are important phenomena in a number of industrial flow systems. This study deals with a gas-liquid bubbly flow in one wastewater cleaning application. Three-dimensional geometric model of a dispersion water system was created in ANSYS CFD meshing software. Then, numerical study of the system was carried out by means of unsteady simulations performed in ANSYS FLUENT CFD software. Single-phase water flow case was setup to calculate the entire flow field using the RNG k-epsilon turbulence model based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations. Bubbly flow case was based on a computational fluid dynamics - population balance model (CFD-PBM) coupled approach. Bubble breakup and coalescence were considered to determine the evolution of the bubble size distribution. Obtained results are considered as steps toward optimization of the cleaning process and will be analyzed in order to make the process more efficient.

Interação CFD-DEM em fluidização: aplicação para o setor mineral

A fluidização de partículas é amplamente utilizada na indústria, principalmente devido às altas taxas de transferência de calor e massa entre as fases. O acoplamento entre a Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD – Computational Fluid Dynamics) e o Método dos Elementos Discretos (DEM – Discrete Element Method) tem se tornado atrativo para a simulação de fluidização, já que nesse caso o movimento das partículas é analisado de forma mais direta do que em outros tipos de abordagens. O grande problema do acoplamento CFD-DEM é a alta exigência computacional para rastrear todas as partículas do sistema, o que leva ao uso de estratégias de redução do tempo de simulação que em caso de utilização incorreta podem comprometer os resultados. O presente trabalho trata da aplicação do acoplamento CFD-DEM na análise de fluidização de alumina, que é um problema importante para o setor mineral. Foram analisados diversos parâmetros capazes de influenciar os resultados e o tempo de simulação como os passos de tempo, os modelos de arrasto, a distribuição granulométrica das partículas, a constante de rigidez, a utilização de partículas representativas com tamanho maior que o das partículas reais, etc. O modelo de força de interação DEM utilizado foi o modelo de mola e amortecedor lineares (LSD – Linear Spring Dashpot). Todas as simulações foram realizadas com o software ANSYS FLUENT 14.5 e os resultados obtidos foram comparados com dados experimentais e da literatura. Tais resultados permitiram comprovar a capacidade do modelo linear LSD em predizer o comportamento global de leitos de alumina e reduzir o tempo de simulação, desde que os parâmetros do modelo sejam definidos de forma adequada.

Studio di un nuovo processo per la sintesi di acido adipico.

Obiettivo del mio lavoro di tesi è stato quello di verificare la fattibilità di un nuovo processo per la produzione di acido adipico da cicloesene con due stadi di reazione. Il primo stadio di reazione prevede l’ossidazione del cicloesene con soluzione acquosa di acqua ossigenata a formare l’epossido, che idrata a 1,2-cicloesandiolo, mentre nel secondo stadio il glicole viene ossidato con ossigeno ad acido adipico. Il lavoro è stato focalizzato sullo studio del meccanismo di reazione per l’ossidazione del 1,2-cicloesandiolo ad acido adipico, utilizzando catalizzatori a base di Ru(OH)3/Al2O3, Ru(OH)3-Bi(OH)3/Al2O3, Cu/C e Cu/TiO2. Le prove condotte hanno dimostrato che i catalizzatori usati sono attivi nell’ossidazione di 1,2-cicloesandiolo, ma sono caratterizzati da scarsa selettività ad acido adipico. Dall’analisi dei risultati ottenuti si desume che la reazione richiede condizioni fortemente basiche per potere avvenire. In queste condizioni però si vengono a formare degli intermedi che reagiscono rapidamente con l’acqua e con l’ossigeno, dando luogo alla formazione di una serie di prodotti primari e secondari.

Allestimenti di reattori multistadio per la digestione anaerobica dei reflui agro-industriali e confronto con processo convenzionale

This study fits into the context of activities aim at waste bioremediation and valorization through the production of energy according to principles of environmental sustainability. The experimental work was carried out at the laboratories of the Department of Civil Engineering, Environmental and Materials (DICAM) of the Faculty of Engineering. The main objective was to enhance the treatment of high organic loading waste, such as manure and cheese whey, through advanced anaerobic digestion systems in order to obtain biogas rich in methane. On the basis of the premise that the environmental conditions pertaining in most anaerobic wastewater digesters are not optimal for both fermentative and methanogenic microorganisms, the research was particularly focused on the implementation of two-phase anaerobic digesters. In fact a two-phase process permits selection and enrichment of different bacteria in each digester by independently controlling the digester operating conditions. Thus, the first phase (acidogenesis) can be operated to optimize acidogenic growth and the second phase (methanogenesis) to optimize methanogenic growth. (Ince O. , 1998). Before reactors’ set up, , some lab scale experiments were carried out to identify the best manure and whey ratio and the best conditions of temperature, pH, hydraulic retention time of acidogenesis an methanogenic phases.

Nuovi catalizzatori a base di idrotalcite per la sintesi di biodiesel

Abbiamo studiato una nuova classe di catalizzatori per la sintesi di biodiesel mediante transesterificazione di trigliceridi in fase liquida con metanolo. Si sono preparate diverse serie di catalizzatori rispettivamente a base di magnesio ossido e idrotalcite dispersi su allumina commerciale mesoporosa. Partendo dai medesimi precursori ottenuti tramite wet-impregnation dell’allumina con soluzioni di magnesio metossido, si sono poi seguiti differenti metodi di calcinazione. Per la creazione della fase idrotalcite si è sfruttato un processo idrotermale di dealluminazione, comunemente impiegato nella sintesi delle zeoliti. Gli spettri XRD e le analisi TPD con biossido di carbonio confermano l’avvenuta formazione delle fasi ricercate. Il confronto tra il rapporto Mg/Al superficiale (ottenuto da analisi XPS) e bulk (ottenuto da analisi SEM/EDX) suggeriscono che la formazione della fase idrotalcite è dovuta ad una reazione allo stato solido avvenuta a seguito del trattamento dei campioni con vapore ad alta temperatura. Tutti i materiali preparati si sono dimostrati essere catalizzatori attivi per la transesterificazione in fase liquida del tributirrato e del triottanoato (molecole modello per la sintesi del biodiesel) con metanolo. I catalizzatori a base di idrotalcite hanno dimostrato le migliori proprietà catalitiche.

Sintesi di 4-bromo-pirazoli quali precursori di sistemi eterociclici condensati. Sintesi della 3a,4,5,6,7,7a-esaidro-N-metil-1H-1,4,6-(epietano-1,1,2-triil)indeno-4,8-dicarbossimmide e di composti relazionati tramite reazione Diels-Alder intramolecolare.

Il progetto di tesi specialistica svolto durante questo anno accademico si è suddiviso in due parti: un primo periodo, da settembre 2010 a gennaio 2011, presso il dipartimento di Chimica Organica “A. Mangini” della Facoltà di Chimica Industriale dell’Università di Bologna e un secondo periodo in Spagna, da marzo ad agosto 2011, presso la Unitat de Química Farmacèutica de la Facultat de Farmàcia de la Universitat de Barcelona. Nel primo periodo a Bologna mi sono occupato della sintesi di 4-bromo-pirazoli da utilizzare come precursori di composti eterociclici condensati. Inizialmente è stato sintetizzato un pirazolo 1,3,5-trisostituito tramite cicloaddizione 1,3-dipolare tra un acetilene e una nitril immina generata in situ da un idrazonoil cloruro. Il pirazolo è stato poi bromurato facendo uno screening di diversi agenti bromuranti e condizioni di reazione per ottenere la migliore resa e chemoselettività. Infine è stata studiata la ciclizzazione intramolecolare del prodotto bromurato tramite reazione di cross-coupling catalizzata da metalli di transizione. Nel secondo periodo a Barcellona mi sono occupato della sintesi di dicarbossimmidi tricicliche con struttura a gabbia con il fine di creare alcheni altamente piramidalizzati e di studiarne la dimerizzazione ad un derivato del dodecaedrano. La strategia sintetica è stata impostata utilizzando come reagente di partenza una semplice succinimmide per giungere, dopo numerosi passaggi, al precursore del prodotto triciclico, del quale è stata studiata la ciclizzazione tramite reazione Diels-Alder intramolecolare.

Sviluppo di nuovi catalizzatori per la reazione di water gas shift a media temperatura

L’idrogeno è un elemento di elevato interesse economico, con una produzione industriale che supera i 55 x 1010 m3/anno e notevoli prospettive di sviluppo delle sue applicazioni. Attualmente l’idrogeno è prodotto principalmente in impianti di larga scala (circa 1000 m3/h) da combustibili fossili attraverso processi di steam reforming ed ossidazione parziale catalitica. Per aumentare la produzione di idrogeno un ruolo fondamentale è svolto dalla reazione di water gas shift (WGS) che abbatte il contenuto di CO, massimizzando la produzione di idrogeno. La reazione è condotta industrialmente in due stadi, operanti ad alta temperatura (HTS, circa 350 °C) e bassa temperatura (LTS, circa 250 °C), utilizzando rispettivamente catalizzatori a base di ferro o rame. Tuttavia, è evidente l’interesse per nuove formulazioni in grado di operare in un unico stadio a temperatura intermedia (MTS), mantenendo le caratteristiche ottimali di attività e stabilità. In questo lavoro di tesi, condotto in collaborazione con AIR LIQUIDE (F), è stato affrontato uno studio della reazione di WGS finalizzato allo sviluppo di nuove formulazioni attive e stabili nell’MTS. In particolare, sono stati sintetizzati precursori idrotalcitici Cu/Zn/Al (contenenti carbonati o silicati), con bassi contenuti di rame (diversamente da quanto riportato in letteratura), modulandone le proprietà chimico-fisiche, l’attività catalitica e la stabilità con il tempo di reazione. Si è osservato come i catalizzatori con minori contenuti di rame ed ottenuti da precursori contenenti carbonati mostrassero un’elevata attività e selettività nell’MTS, raggiungendo valori di conversione del CO analoghi a quelli all’equilibrio termodinamico già a 300 °C, indipendentemente dai valori del rapporto S/DG e del tempo di contatto. Tutti i catalizzatori mostrano un’elevata stabilità con il tempo di reazione, con incrementi del quantitativo del CO in uscita dopo 100h di circa lo 0,7 % v/v. I catalizzatori scaricati dopo le prove catalitiche evidenziano gli effetti dei processi di sinterizzazione (diminuzione dell’area superficiale ed incremento delle dimensioni dei cristalliti), la cui entità diminuisce al diminuire del contenuto di rame. Infine, confrontando l’attività dei migliori catalizzatori preparati in questo lavoro di tesi con quella di uno dei più utilizzati catalizzatori commerciali per la reazione di WGS a bassa temperatura, si sono osservati valori di attività analoghi, raggiungendo quelli di equilibrio per temperature  300°C, ma con una attività significativamente superiore nelle condizioni LTS, soprattutto considerando il valore del tempo di contatto inferiore a quelli comunemente utilizzati negli impianti industriali.

Studio spettroscopico della reazione fotochimica solido-solido del 9,10-dinitro-antracene ad antrachinone

Questa tesi riguarda lo studio della reazione fotoindotta del 9-10 dinitroantracene (DNO2A) ad antrachinone (AQ) con l’ausilio di una tecnica spettroscopica senza precedenti nel campo. Lo studio tramite spettroscopia Raman dei fononi reticolari (variazioni fisiche) e dei modi intramolecolari (variazioni chimiche) di reagente e prodotto, simultaneamente al manifestarsi della reazione, è infatti un metodo potente, diretto, in situ e non distruttivo per studiare una reazione solido-solido che coinvolge spettacolari movimenti micro-meccanici nel cristallo singolo del reagente durante l’irraggiamento. L’ulteriore vantaggio della confocalità amplia ulteriormente il campo di applicazione di questa tecnica, permettendo un’analisi su scala spaziale inferiore al micrometro, con la possibilità di mappature a livello molecolare da confrontare con l’immagine microscopica del campione[9]. Abbiamo inoltre visto che ampie ricostruzioni strutturali avvengono nel corso della reazione. Le conseguenze, a livello microscopico, si riflettono sulla modificazione strutturale della cella elementare; quelle a livello macroscopico mostrano una sorprendente relazione fotone incidente/energia meccanica prodotta. Infine lo studio di questa reazione in celle ad alta pressione ha ampliato il corpo di conoscenze della reazione oggetto della tesi.