An extended mixture model for the simultaneous treatment of short and long scale interfaces

Abstract

The study of multi-phase models is a field of great interest in industry and academia. Multi-phase flows are present in hydraulics, petrochemical industry, oceanography, siderurgy, atomic energy and many other human activities. This field is far from being completely understood and the available tools are still in a developing stage. Nowadays the only general models for this kind of problems are the Direct Numerical Simulation or other models based in the physics of fluids. In this scenario, the aim of this thesis is to develop a new model based on the Volume of Fluid method and the Mixture Model in order to solve multi-phase flows with different interface scales and the transition among them. The interface scale is characterized by a measure of the grid, which acts as a geometrical filter and is related with the accuracy in the solution. This coupled model allows to reduce the grid requirements for a given accuracy. Having this objective in mind, a generalization of the Algebraic Slip Mixture Model is proposed to solve problems involving short and long scale interfaces in an unified framework. This model is implemented using the OpenFOAMR(R) libraries to generate a state-of-the-art solver capable to solve large problems in High Performance Computing facilities. In addition several other contributions were made regarding to the conceptualization of the Mixture Model, the development of a new Riemann-free solver used to solve mixture problems and a set of tools to help in the implementation process.

El estudio de modelos multifásicos es un campo de gran interés en la industria y en el ámbito académico. Los flujos multifásicos están presentes en hidráulica, en la industria petroquímica, en oceanografía, siderurgia, energía atómica y muchas otras actividades humanas. Este campo de estudio está lejos de ser completamente comprendido y las herramientas disponibles se encuentran aun en una etapa de desarrollo. Hoy en día los únicos modelos generales para este tipo de problemas son la Simulación Numérica Directa y otros modelos basados en la física de fluidos. En este escenario, el objetivo de esta tesis es desarrollar un nuevo modelo basado en el método de Volumen de Fluido y en el Modelo de Mezcla con el fin de resolver flujos multifásicos con diferentes escalas de interfase y las transiciones entre ellas. La escala para las interfases está caracterizada por una medida asociada al paso de malla, que juega el papel de filtro geométrico y está relacionada con la precisión de la solución. Este modelo acoplado permite reducir los requerimientos de malla para una dada precisión en la solución. Con este objetivo en mente, se propone una generalización del Modelo de Mezcla con Velocidad de Deslizamiento Algebraica para resolver problemas con interfases de pequeña y larga escala en un entorno unificado. El modelo se implementa mediante las librerías OpenFOAM(R) generando un resolvedor a nivel del estado del arte con la capacidad de resolver problemas de gran tamaño mediante equipos de Computación de Alto Rendimiento. Además se realizan otras contribuciones respecto la conceptualización del Modelo de Mezcla, el desarrollo de un resolvedor Riemann-free utilizado para problemas de mezcla y un conjunto de herramientas de ayuda en el proceso de implementación informática.