Fluid dynamic analysis and modelling of industrial chemical equipment

The research is aimed at contributing to the identification of reliable fully predictive Computational Fluid Dynamics (CFD) methods for the numerical simulation of equipment typically adopted in the chemical and process industries. The apparatuses selected for the investigation, specifically membrane modules, stirred vessels and fluidized beds, were characterized by a different and often complex fluid dynamic behaviour and in some cases the momentum transfer phenomena were coupled with mass transfer or multiphase interactions. Firs of all, a novel modelling approach based on CFD for the prediction of the gas separation process in membrane modules for hydrogen purification is developed. The reliability of the gas velocity field calculated numerically is assessed by comparison of the predictions with experimental velocity data collected by Particle Image Velocimetry, while the applicability of the model to properly predict the separation process under a wide range of operating conditions is assessed through a strict comparison with permeation experimental data. Then, the effect of numerical issues on the RANS-based predictions of single phase stirred tanks is analysed. The homogenisation process of a scalar tracer is also investigated and simulation results are compared to original passive tracer homogenisation curves determined with Planar Laser Induced Fluorescence. The capability of a CFD approach based on the solution of RANS equations is also investigated for describing the fluid dynamic characteristics of the dispersion of organics in water. Finally, an Eulerian-Eulerian fluid-dynamic model is used to simulate mono-disperse suspensions of Geldart A Group particles fluidized by a Newtonian incompressible fluid as well as binary segregating fluidized beds of particles differing in size and density. The results obtained under a number of different operating conditions are compared with literature experimental data and the effect of numerical uncertainties on axial segregation is also discussed.

Analisi fluidodinamica di reattori utilizzati per la produzione di biogas

Il lavoro riguarda la caratterizzazione fluidodinamica di un reattore agitato meccanicamente utilizzato per la produzione di biogas. Lo studio è stato possibile attraverso l’impiego della PIV (Particle Image Velocimetry), tecnica di diagnostica ottica non invasiva adatta a fornire misure quantitative dei campi di velocità delle fasi all’interno del reattore. La caratterizzazione è stata preceduta da una fase di messa a punto della tecnica, in modo da definire principalmente l’influenza dello spessore del fascio laser e dell’intervallo di tempo tra gli impulsi laser sui campi di moto ottenuti. In seguito, il reattore è stato esaminato in due configurazioni: con albero in posizione centrata e con albero in posizione eccentrica. Entrambe le geometrie sono state inoltre analizzate in condizione monofase e solido-liquido. Le prove in monofase con albero centrato hanno permesso di identificare un particolare regime transitorio del fluido nei primi minuti dopo la messa in funzione del sistema di agitazione, caratterizzato da una buona efficienza di miscelazione in tutta la sezione di analisi. In condizioni di regime stazionario, dopo circa 1 ora di agitazione, è stato invece osservato che il fluido nella zona vicino alla parete è essenzialmente stagnante. Sempre con albero centrato, le acquisizioni in condizione bifase hanno permesso di osservare la forte influenza che la presenza di particelle di solido ha sui campi di moto della fase liquida. Per l’assetto con albero in posizione eccentrica, in condizione monofase e regime di moto stazionario, è stata evidenziata una significativa influenza del livello di liquido all’interno del reattore sui campi di moto ottenuti: aumentando il livello scalato rispetto a quello usato nella pratica industriale è stato osservato un miglioramento dell’efficienza di miscelazione grazie al maggior lavoro svolto dal sistema di agitazione. In questa configurazione, inoltre, è stato effettuato un confronto tra i campi di moto indotti da due tipologie di giranti aventi stesso diametro, ma diversa geometria. Passando alla condizione bifase con albero eccentrico, i risultati hanno evidenziato la forte asimmetria del reattore: è stato evidenziato, infatti, come il sistema raggiunga regimi stazionari differenti a seconda delle velocità di rotazione e delle condizioni adottate per il raggiungimento della stabilità. Grazie alle prove su piani orizzontali del reattore in configurazione eccentrica e condizioni bifase, è stato concluso che i sistemi in uso inducano un campo di moto prettamente tangenziale, non ottimizzato però per la sospensione della fase solida necessaria in questa tipologia di processi.

Analisi fluidodinamica di piastre concamerate costituenti una filtropressa

Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di indagare la fluidodinamica all’interna di un modello di una camera di una filtropressa. L’analisi del comportamento fluidodinamico all’interno delle filtropresse viene svolta al fine di comprendere meglio alcune problematiche relative alla gestione del processo. In particolare si è tentato di individuare le cause che inducono: 1.Rottura prematura delle tele, in particolar modo nelle camere iniziali; 2.Formazione di pannelli disomogenei che comporta complicazioni nei successivi processi (lavaggio, essiccamento, etc.). Tale studio è consistito nella determinazione e nell’analisi del campo di moto di una fase liquida all’interno di suddetta camera. I campi di moto sono stati acquisiti tramite la tecnica PIV (Particle Image Velocimetry).

Tomographic PIV behind a prosthetic heart valve

The instantaneous three-dimensional velocity field past a bioprosthetic heart valve was measured using tomographic particle image velocimetry (PIV). Two digital cameras were used together with a mirror setup to record PIV images from four different angles. Measurements were conducted in a transparent silicone phantom with a simplified geometry of the aortic root. The refraction indices of the silicone phantom and the working fluid were matched to minimize optical distortion from the flow field to the cameras. The silicone phantom of the aorta was integrated in a flow loop driven by a piston pump. Measurements were conducted for steady and pulsatile flow conditions. Results of the instantaneous, ensemble and phase averaged flow field are presented. The three-dimensional velocity field reveals a flow topology, which can be related to features of the aortic valve prosthesis.

Tissue Crowding Induces Caspase-Dependent Competition for Space.

Regulation of tissue size requires fine tuning at the single-cell level of proliferation rate, cell volume, and cell death. Whereas the adjustment of proliferation and growth has been widely studied [1, 2, 3, 4 and 5], the contribution of cell death and its adjustment to tissue-scale parameters have been so far much less explored. Recently, it was shown that epithelial cells could be eliminated by live-cell delamination in response to an increase of cell density [6]. Cell delamination was supposed to occur independently of caspase activation and was suggested to be based on a gradual and spontaneous disappearance of junctions in the delaminating cells [6]. Studying the elimination of cells in the midline region of the Drosophila pupal notum, we found that, contrary to what was suggested before, Caspase 3 activation precedes and is required for cell delamination. Yet, using particle image velocimetry, genetics, and laser-induced perturbations, we confirmed [ 6] that local tissue crowding is necessary and sufficient to drive cell elimination and that cell elimination is independent of known fitness-dependent competition pathways [ 7, 8 and 9]. Accordingly, activation of the oncogene Ras in clones was sufficient to compress the neighboring tissue and eliminate cells up to several cell diameters away from the clones. Mechanical stress has been previously proposed to contribute to cell competition [ 10 and 11]. These results provide the first experimental evidences that crowding-induced death could be an alternative mode of super-competition, namely mechanical super-competition, independent of known fitness markers [ 7, 8 and 9], that could promote tumor growth.