Fluid dynamics of air-water flows in parallel risers: experimental and numerical investigations

This thesis investigates the fluid-dynamic behaviour of an adiabatic air–water flow through parallel vertical pipes. An innovative experimental setup has been developed, enabling flow-regime identification through high-frame-rate videography, holdup calculation, and the analysis of radial void fraction profiles. Numerical simulations based on two different modelling approaches were then performed, and the results were compared with the experimental data. The experimental campaign was carried out by analysing the flow throughout the entire experimental facility, namely in the horizontal feed pipe, in the risers, and in the horizontal pipe downstream of the risers. As a quantitative characterization of the flow dynamic behaviour, the liquid holdup in the horizontal pipes was determined through image analysis and differential pressure measurement, while only pressure measurement was used to evaluate the global gas holdup in the risers. Optical probes were used to determine the radial void fraction profiles. The analysis of the experimental results unveils the complex flow dynamics underlying the multiphase flow distribution in parallel pipes, explaining the possible mechanisms leading to flow maldistribution between the two pipes, which was observed for most of the tested operating conditions. In addition, the results of the experimental campaign are of strong interest for the development and validation of numerical models. The second part of this dissertation addresses numerical modelling, considering two approaches, namely the Volume of Fluid (VOF) and the MultiMorph models. Both models are thoroughly described and validated by considering not only the case study investigated in this thesis. The MultiMorph model was coupled with a population balance model (PBM) and was first tested to simulate slug flow in a simple vertical pipe, showing very good agreement with experimental data. Subsequently, both the VOF and MultiMorph approaches were applied to the case study addressed in this thesis, providing satisfactory predictions of the flow behaviour. As an extended validation, the VOF approach was employed to simulate an air–water downward annular flow. Moreover, since morphology-adaptive models are based on a unified numerical framework capable of handling different flow regimes, the MultiMorph model was also tested for the simulation of dispersed flow in an air–water bubble column. The numerical results were compared against reference experimental data, showing overall good agreement.

Questa tesi investiga il comportamento fluidodinamico di un flusso adiabatico aria–acqua in tubazioni verticali parallele. È stato sviluppato un innovativo impianto sperimentale che consente l’identificazione dei regimi di moto mediante videografia ad alta velocità, la misura dell’holdup liquido e l’analisi dei profili radiali di frazione di vuoto. Successivamente, sono state eseguite simulazioni numeriche basate su due differenti approcci modellistici, confrontando i risultati con i dati sperimentali. La campagna sperimentale è stata condotta analizzando il flusso lungo l’intero impianto, ovvero nella tubazione orizzontale di alimentazione, nei riser verticali e nelle tubazioni orizzontali a valle dei riser. Per una caratterizzazione quantitativa della dinamica del flusso, l’holdup liquido nelle tubazioni orizzontali è stato determinato mediante analisi immagini e misure di pressione differenziale, mentre nei riser l’holdup globale di gas è stato valutato esclusivamente tramite misure di pressione. Sonde ottiche sono state utilizzate per determinare i profili radiali di frazione di vuoto. L’analisi dei risultati sperimentali evidenzia la complessità delle dinamiche che governano la distribuzione di flussi multifase in tubazioni parallele, chiarendo i possibili meccanismi responsabili della maldistribuzione del flusso tra i due rami, osservata nella maggior parte delle condizioni operative investigate. Inoltre, i risultati sperimentali costituiscono un importante riferimento per lo sviluppo e la validazione di modelli numerici. La seconda parte della tesi è dedicata alla modellazione numerica, considerando due approcci distinti: il metodo Volume of Fluid (VOF) e il modello MultiMorph. Entrambi i modelli sono descritti e validati approfonditamente, non soltanto per il caso di studio oggetto della presente tesi. Il modello MultiMorph è stato accoppiato a un modello di bilancio di popolazione (Population Balance Model, PBM) ed è stato inizialmente testato nella simulazione di flussi a slug in una semplice tubazione verticale, mostrando un ottimo accordo con i dati sperimentali. Successivamente, sia l’approccio VOF sia il modello MultiMorph sono stati applicati al caso di studio analizzato in questa tesi, fornendo previsioni soddisfacenti del comportamento del flusso. Come ulteriore validazione, l’approccio VOF è stato impiegato per simulare un flusso anulare discendente aria–acqua. Inoltre, poiché i modelli morphology-adaptive si basano su un quadro numerico unificato capace di descrivere differenti regimi di moto, il modello MultiMorph è stato testato anche nella simulazione di un flusso disperso in una colonna a bolle aria–acqua. I risultati numerici sono stati confrontati con dati sperimentali di riferimento, mostrando complessivamente un buon accordo.