Caratterizzazione ed analisi di sistemi multifase in OpenFoam

La presente tesi si inserisce nell'ambito della fluidodinamica computazionale (CFD) applicata a sistemi multifase gas-liquido, con l'obiettivo di valutare l'affidabilità di diversi approcci numerici nella simulazione di colonne a bolle (bubble column) mediante il software open-source OpenFOAM. Nella prima parte del lavoro viene condotto un confronto sistematico tra due modelli multifase per la simulazione di un sistema aria-acqua: l'approccio Euler-Euler, implementato tramite il solver multiphaseEulerFoam, che tratta le due fasi come continui interpenetranti dotati di velocità proprie, e l'approccio VOF (Volume of Fluid), implementato tramite il solver interFoam, basato sulla ricostruzione esplicita dell'interfaccia gas-liquido. Le simulazioni, condotte sulla medesima geometria, mesh e velocità di iniezione del gas, sono state validate rispetto ai dati sperimentali di Buwa et al., relativi al profilo di velocità verticale media del liquido. I risultati mostrano che il modello Euler-Euler riproduce con buona accuratezza la fisica del regime bubbly disperso osservato sperimentalmente, mentre il modello VOF sovrastima sensibilmente la velocità di risalita centrale e genera ricircoli più intensi, risultando meno adatto a rappresentare un numero elevato di bolle disperse non risolte dalla mesh. Sulla base di questi risultati, la seconda parte del lavoro estende l'approccio Euler-Euler validato, in configurazione OpenFOAM 12, a un sistema di interesse per l'ingegneria nucleare: l'interazione tra piombo liquido, quale fase continua stazionaria, e argon gassoso, quale fase dispersa iniettata dal basso attraverso un tubo di iniezione a sezione rettangolare. Tale coppia di fluidi riveste un ruolo applicativo diretto nei reattori nucleari di IV generazione raffreddati a metallo liquido pesante (Lead-cooled Fast Reactor) e nei sistemi sottocritici pilotati da acceleratore, nei quali l'argon è impiegato come gas di copertura e per il controllo attivo dell'ossigeno disciolto nel piombo. La configurazione numerica, isoterma e caratterizzata da una fase gassosa comprimibile e una fase liquida incomprimibile, è stata definita a partire dalle proprietà termofisiche delle due fasi alla temperatura di riferimento di 693.15 K, verificate rispetto alle correlazioni disponibili in letteratura, e da una geometria e una griglia di calcolo coerenti con quelle impiegate nella prima parte del lavoro. Il presente studio fornisce quindi sia un'indicazione operativa sulla scelta del modello multifase più appropriato in funzione del regime fluidodinamico da rappresentare, sia una base metodologica e numerica per l'analisi CFD dell'interazione gas-liquido in sistemi a metallo liquido pesante di interesse nucleare.