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Air-water two-phase flow is present in natural and industrial processes of different nature as nuclear reactors. An accurate local prediction of the boiling flow could support safety and operation analyses of nuclear reactors. A new Eulerian-Lagrangian approach is investigated in this contribution. A new solver has been developed and implemented in the framework of the open source package OpenFOAM R and based on the PIMPLE algorithm coupled with the Lagrangian equation of motion has been implemented for computing incompressible bubbly flows. Each bubble is divided in equivolumetric volumes and tracked into the Eulerian mesh for an appropriate assignment of the effect of the bubble in the cell without resolving the interface. The coupling between phases is done considering in the momentum equation the interfacial forces and bubble induced contribution along the bubble path during an Eulerian time step. The bouncing of the bubbles between themselves and the wall is modeled with a dynamic soft sphere model. The computational results obtained for different flow conditions are validated with the recently released experimental data on upward pipe flow. The test section used is a 52 mm pipe of 5500 mm of length maintained under adiabatic conditions with air and water circulating fluids working with inlet velocity ranges of 0-2 m/s and 0-0.3 m/s for the continuous and dispersed phase respectively. Averaged results of radial distribution for void fraction, chord length, turbulence kinetic energy, dispersed and continuous velocity profiles show a good agreement among different flow conditions.

Doctorat internacional Anaerobic digestion is one of the most widely used biological treatments for the stabilisation of sewage sludge, but the effectiveness of the process depends on good mixing. The Computational Fluid Dynamics (CFD) technique allows analysing the mixing and hydrodynamics, so it has been widely used to study anaerobic digestion. In this thesis, hydrodynamics in full-scale digesters have been studied by means of CFD models, evaluating their mixing systems by means of different scenarios according to mixing and design parameters and dead volumes. In a second part, a new CFD solver was developed to couple a biological model with hydrodynamics and applied to a laboratory and a full-scale digester. The last part was devoted to evaluate the hydrodynamic behaviour of biogas bubbles in anaerobic sludge, so that local mixing by biogas bubbles in anaerobic digesters was evaluated. Future work needs to focus on experimental measurements and new two-phase CFD models. Programa de Doctorat en Tecnologies Industrials i Materials

Durante los últimos años, la necesidad de maximizar la producción energética a partir de la optimización del proceso de la digestión anaerobia de lodos ha centrado el interés tanto de la comunidad científica como de la industrial del ciclo del agua. Para ello, la codigestión y los pretratamientos de los lodos se presentan como una opción para incrementar la producción de biogás y la calidad del digestato obtenido. La finalidad de la presente tesis es conseguir diseñar un sistema de cavitación hidrodinámica robusto mediante la utilización de técnicas de simulación computacional de fluidos (CFD), que permita optimizar el proceso de pretratamiento para la digestión anaerobia de los lodos generados en una Estación Depuradora de Aguas Residuales. In the last few years, the need to maximize energy production from the optimization of the anaerobic digestion of sludge process, has been interesting for both the scientific and industrial water cycle communities. For this reason, co-digestion and sludge pretreatment are presented as an option to increase both biogas production and the quality of the digestate obtained. The purpose of this thesis is to design a robust hydrodynamic cavitation system using computational fluid dynamics techniques (CFD), which allows optimizing the pretreatment process for the anaerobic digestion of sludge generated in Wastewater Treatment Plants Programa de Doctorat en Tecnologies Industrials i Materials

espanolEste trabajo de investigacion tiene como objetivo principal desarrollar modelos de simulacion basados en herramientas asociadas a la dinamica computacional de fluidos (CFD) y aplicados al tratamiento de aguas residuales. Se ha investigado en el efecto hidrodinamico de los elementos internos que gobiernan el comportamiento del flujo en los reactores biologicos combinado con la incorporacion de los modelos bioquimicos que reproducen los principales mecanismos del proceso de fangos activados de una EDAR. Ademas, se han incluido submodelos especificos relacionados con el proceso que se lleva a cabo en estos tanques, el efecto de la viscosidad del fluido y la dinamica de las burbujas del proceso de aeracion. Se han propuesto nuevas aproximaciones que permitan reducir el tiempo de calculo para obtener el rendimiento de depuracion con un coste de computacion razonable. Se ha trabajado en la validacion de los modelos CFD mediante tecnicas experimentales y medidas especificas a escala real. EnglishThe main objective of this research work is to develop simulation models based on tools associated with computational fluid dynamics (CFD) and applied to wastewater treatment. The hydrodynamic effect of the internal elements, that govern the behavior of the fluidflow in the biological reactors coupled to biochemical models that reproduce the main mechanisms of the activated sludge process of a WWTP, has been investigated. In addition, specific submodels related to the process taking place in these tanks, the effect of fluid viscosity and the dynamics of the aeration process bubbles have been included. New approaches have been proposed to reduce the calculation time to obtain the performance at a reasonable computing cost. Work on the validation has been developed through experimental techniques and specific measurements at real scale in order to validate CFD models.

The study and modelling of two-phase flow, even the simplest ones such as the bubbly flow, remains a challenge that requires exploring the physical phenomena from different spatial and temporal resolution levels. CFD (Computational Fluid Dynamics) is a widespread and promising tool for modelling, but nowadays, there is no single approach or method to predict the dynamics of these systems at the different resolution levels providing enough precision of the results. The inherent difficulties of the events occurring in this flow, mainly those related with the interface between phases, makes that low or intermediate resolution level approaches as system codes (RELAP, TRACE, ...) or 3D TFM (Two-Fluid Model) have significant issues to reproduce acceptable results, unless well-known scenarios and global values are considered. Instead, methods based on high resolution level such as Interfacial Tracking Method (ITM) or Volume Of Fluid (VOF) require a high computational effort that makes unfeasible its use in complex systems.In this thesis, an open-source simulation framework has been designed and developed using the OpenFOAM library to analyze the cases from microescale to macroscale levels. The different approaches and the information that is required in each one of them have been studied for bubbly flow. In the first part, the dynamics of single bubbles at a high resolution level have been examined through VOF. This technique has allowed to obtain accurate results related to the bubble formation, terminal velocity, path, wake and instabilities produced by the wake. However, this approach has been impractical for real scenarios with more than dozens of bubbles. Alternatively, this thesis proposes a CFD Discrete Element Method (CFD-DEM) technique, where each bubble is represented discretely. A novel solver for bubbly flow has been developed in this thesis. This includes a large number of improvements necessary to reproduce the bubble-bubble and bubble-wall interactions, turbulence, velocity seen by the bubbles, momentum and mass exchange term over the cells or bubble expansion, among others. But also new implementations as an algorithm to seed the bubbles in the system have been incorporated. As a result, this new solver gives more accurate results as the provided up to date.Following the decrease on resolution level, and therefore the required computational resources, a 3D TFM have been developed with a population balance equation solved with an implementation of the Quadrature Method Of Moments (QMOM). The solver is implemented with the same closure models as the CFD-DEM to analyze the effects involved with the lost of information due to the averaging of the instantaneous Navier-Stokes equation. The analysis of the results with CFD-DEM reveals the discrepancies found by considering averaged values and homogeneous flow in the models of the classical TFM formulation. Finally, for the lowest resolution level approach, the system code RELAP5/MOD3 is used for modelling the bubbly flow regime. The code has been modified to reproduce properly the two-phase flow characteristics in vertical pipes, comparing the performance of the calculation of the drag term based on drift-velocity and drag coefficient approaches., El estudio y modelado de flujos bifásicos, incluso los más simples como el bubbly flow, sigue siendo un reto que conlleva aproximarse a los fenómenos físicos que lo rigen desde diferentes niveles de resolución espacial y temporal. El uso de códigos CFD (Computational Fluid Dynamics) como herramienta de modelado está muy extendida y resulta prometedora, pero hoy por hoy, no existe una única aproximación o técnica de resolución que permita predecir la dinámica de estos sistemas en los diferentes niveles de resolución, y que ofrezca suficiente precisión en sus resultados. La dificultad intrínseca de los fenómenos que allí ocurren, sobre todo los ligados a la interfase entre ambas fases, hace que los códigos de bajo o medio nivel de resolución, como pueden ser los códigos de sistema (RELAP, TRACE, etc.) o los basados en aproximaciones 3D TFM (Two-Fluid Model) tengan serios problemas para ofrecer resultados aceptables, a no ser que se trate de escenarios muy conocidos y se busquen resultados globales. En cambio, códigos basados en alto nivel de resolución, como los que utilizan VOF (Volume Of Fluid), requirieren de un esfuerzo computacional tan elevado que no pueden ser aplicados a sistemas complejos.En esta tesis, mediante el uso de la librería OpenFOAM se ha creado un marco de simulación de código abierto para analizar los escenarios desde niveles de resolución de microescala a macroescala, analizando las diferentes aproximaciones, así como la información que es necesaria aportar en cada una de ellas, para el estudio del régimen de bubbly flow. En la primera parte se estudia la dinámica de burbujas individuales a un alto nivel de resolución mediante el uso del método VOF (Volume Of Fluid). Esta técnica ha permitido obtener resultados precisos como la formación de la burbuja, velocidad terminal, camino recorrido, estela producida por la burbuja e inestabilidades que produce en su camino. Pero esta aproximación resulta inviable para entornos reales con la participación de más de unas pocas decenas de burbujas. Como alternativa, se propone el uso de técnicas CFD-DEM (Discrete Element Methods) en la que se representa a las burbujas como partículas discretas. En esta tesis se ha desarrollado un nuevo solver para bubbly flow en el que se han añadido un gran número de nuevos modelos, como los necesarios para contemplar los choques entre burbujas o con las paredes, la turbulencia, la velocidad vista por las burbujas, la distribución del intercambio de momento y masas con el fluido en las diferentes celdas por cada una de las burbujas o la expansión de la fase gaseosa entre otros. Pero también se han tenido que incluir nuevos algoritmos como el necesario para inyectar de forma adecuada la fase gaseosa en el sistema. Este nuevo solver ofrece resultados con un nivel de resolución superior a los desarrollados hasta la fecha.Siguiendo con la reducción del nivel de resolución, y por tanto los recursos computacionales necesarios, se efectúa el desarrollo de un solver tridimensional de TFM en el que se ha implementado el método QMOM (Quadrature Method Of Moments) para resolver la ecuación de balance poblacional. El solver se desarrolla con los mismos modelos de cierre que el CFD-DEM para analizar los efectos relacionados con la pérdida de información debido al promediado de las ecuaciones instantáneas de Navier-Stokes. El análisis de resultados de CFD-DEM permite determinar las discrepancias encontradas por considerar los valores promediados y el flujo homogéneo de los modelos clásicos de TFM. Por último, como aproximación de nivel de resolución más bajo, se investiga el uso uso de códigos de sistema, utilizando el código RELAP5/MOD3 para analizar el modelado del flujo en condiciones de bubbly flow. El código es modificado para reproducir correctamente el flujo bifásico en tuberías verticales, comparando el comportamiento de aproximaciones para el cálculo del término d, L'estudi i modelatge de fluxos bifàsics, fins i tot els més simples com bubbly flow, segueix sent un repte que comporta aproximar-se als fenòmens físics que ho regeixen des de diferents nivells de resolució espacial i temporal. L'ús de codis CFD (Computational Fluid Dynamics) com a eina de modelatge està molt estesa i resulta prometedora, però ara per ara, no existeix una única aproximació o tècnica de resolució que permeta predir la dinàmica d'aquests sistemes en els diferents nivells de resolució, i que oferisca suficient precisió en els seus resultats. Les dificultat intrínseques dels fenòmens que allí ocorren, sobre tots els lligats a la interfase entre les dues fases, fa que els codis de baix o mig nivell de resolució, com poden ser els codis de sistema (RELAP,TRACE, etc.) o els basats en aproximacions 3D TFM (Two-Fluid Model) tinguen seriosos problemes per a oferir resultats acceptables , llevat que es tracte d'escenaris molt coneguts i se persegueixen resultats globals. En canvi, codis basats en alt nivell de resolució, com els que utilitzen VOF (Volume Of Fluid), requereixen d'un esforç computacional tan elevat que no poden ser aplicats a sistemes complexos. En aquesta tesi, mitjançant l'ús de la llibreria OpenFOAM s'ha creat un marc de simulació de codi obert per a analitzar els escenaris des de nivells de resolució de microescala a macroescala, analitzant les diferents aproximacions, així com la informació que és necessària aportar en cadascuna d'elles, per a l'estudi del règim de bubbly flow. En la primera part s'estudia la dinàmica de bambolles individuals a un alt nivell de resolució mitjançant l'ús del mètode VOF. Aquesta tècnica ha permès obtenir resultats precisos com la formació de la bambolla, velocitat terminal, camí recorregut, estela produida per la bambolla i inestabilitats que produeix en el seu camí. Però aquesta aproximació resulta inviable per a entorns reals amb la participació de més d'unes poques desenes de bambolles. Com a alternativa en aqueix cas es proposa l'ús de tècniques CFD-DEM (Discrete Element Methods) en la qual es representa a les bambolles com a partícules discretes. En aquesta tesi s'ha desenvolupat un nou solver per a bubbly flow en el qual s'han afegit un gran nombre de nous models, com els necessaris per a contemplar els xocs entre bambolles o amb les parets, la turbulència, la velocitat vista per les bambolles, la distribució de l'intercanvi de moment i masses amb el fluid en les diferents cel·les per cadascuna de les bambolles o els models d'expansió de la fase gasosa entre uns altres. Però també s'ha hagut d'incloure nous algoritmes com el necessari per a injectar de forma adequada la fase gasosa en el sistema. Aquest nou solver ofereix resultats amb un nivell de resolució superior als desenvolupat fins la data. Seguint amb la reducció del nivell de resolució, i per tant els recursos computacionals necessaris, s'efectua el desenvolupament d'un solver tridimensional de TFM en el qual s'ha implementat el mètode QMOM (Quadrature Method Of Moments) per a resoldre l'equació de balanç poblacional. El solver es desenvolupa amb els mateixos models de tancament que el CFD-DEM per a analitzar els efectes relacionats amb la pèrdua d'informació a causa del promitjat de les equacions instantànies de Navier-Stokes. L'anàlisi de resultats de CFD-DEM permet determinar les discrepàncies ocasionades per considerar els valors promitjats i el flux homogeni dels models clàssics de TFM. Finalment, com a aproximació de nivell de resolució més baix, s'analitza l'ús de codis de sistema, utilitzant el codi RELAP5/MOD3 per a analitzar el modelatge del fluxos en règim de bubbly flow. El codi és modificat per a reproduir correctament les característiques del flux bifàsic en canonades verticals, comparant el comportament d'aproximacions per al càlcul del terme de drag basades en velocitat de drift flux model i de les basades en coe, Peña Monferrer, C. (2017). Computational fluid dynamics multiscale modelling of bubbly flow. A critical study and new developments on volume of fluid, discrete element and two-fluid methods [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. doi:10.4995/Thesis/10251/90493, TESIS