Development and assessment of a one-dimensional CFD solver for boiling flows in bubbly regimes

Abstract

[EN] The present PhD thesis aims at the development of a one-dimensional solver capable of solving single- and two-phase flow fluid systems. The novelty of this project lies in the use of an open source CFD platform, called OpenFOAM, as a development framework for the new tool. For the new solver development, the conservation equations based on Navier- Stokes (three-dimensional system) have been analyzed and reduced to one dimension. For the two-phase simulations, the Two Fluid Model method was used as base. In addition, a series of empirical models have been selected as closing equations of the system. The final solver includes a series of requirements that reinforce their capabilities. Among them, the use of a second mesh that represents the solid and takes into account the heat transmitted to the fluid by conduction through a solid, stands out. On the other hand, the possible transfer of mass between phases in twophase fluids has been taken into account. Similarly, a subcooled boiling model has been implemented which takes into account the possible generation of vapor near the wall while the bulk is kept below saturation temperature. Finally, this paper presents the verification and validation of the solver. The verification has been carried out mainly with the system code TRACE, whose validation has been demonstrated in numerous works and its use is very extended in the scientific community. For the validation, we have the results of two experimental cases that allow us to demonstrate the physical validity of the new application developed. The use of this platform allows for a much more direct coupling between one- and three-dimensional domains, obtaining a better optimization of the calculation.

[ES] El presente trabajo de doctorado tiene por objetivo el desarrollo de un solver unidimensional capaz de resolver sistemas de fluidos monofásicos y bifásicos. La novedad de este proyecto reside en el uso de una plataforma CFD de código abierto, llamada OpenFOAM, como marco para el desarrollo de la nueva herramienta. Para el desarrollo del nuevo solver, se han analizado las ecuaciones de conservación basadas en Navier-Stokes (tridimensionales) y se han reducido a una dimensión. Para la parte bifásica del solver, se utiliza el método Two Fluid Model. Además, se han incluido todos los modelos empíricos necesarios como ecuaciones de cierre del sistema. El solver final incluye una serie de requerimientos que refuerzan sus capacidades. Entre ellas, destacan, por un lado, el uso de una segunda malla que represente el sólido y tenga en cuenta el calor transmitido al fluido por conducción a través de un sólido. Por otro lado, se ha tenido en cuenta la posible transferencia de masa entre fases en fluidos bifásicos. Igualmente, se ha implementado un modelo de ebullición subenfriada que tiene en cuenta la posible generación de vapor cerca de la pared mientras el centro del fluido se mantiene por debajo de la temperatura de saturación. Finalmente, este trabajo presenta la verificación y validación del solver. La verificación se ha realizado principalmente con el código de sistema TRACE. Para la validación, se cuenta con los resultados de dos casos experimentales que permiten demostrar la validez física de la nueva aplicación desarrollada. La implementación del nuevo solver en esta plataforma abierta permite un futuro acoplamiento mucho más directo entre mallas unidimensionales y tridimensionales, obteniendo una mayor optimización del cálculo.

[CA] El present treball de doctorat té per objectiu el desenvolupament d'un nou solver unidimensional capaç de solucionar sistemes amb fluids monofàsics i bifàsics. La novetat d'aquest projecte resideix en l'ús d'una plataforma CFD de codi obert, anomenada OpenFOAM com a marc de desenvolupament de la nova eina. Per al desenvolupament del nou solver, s'han analitzat les equacions de conservació basades en Navier-Stokes (tridimensionals) i s'han reduït a una dimensió. Per a la part bifàsica del solver s'utilitza el mètode Two Fluid Model. A més, s'han inclòs tots els models empírics necessaris com a equacions de tancament del sistema. El solver final inclou una sèrie de requeriments que reforcen les seues capacitats. Entre elles, destaquen, d'una banda, l'ús d'una segona malla que represente el sòlid i es tinga en compte la calor transmesa al fluid per conducció a través d'un sòlid. D'altra banda, s'ha tingut en compte la possible transferència de massa entre fases en fluids bifàsics. Igualment, s'ha implementat un model d'ebullició subrefredada que té en compte la possible generació de vapor prop de la paret mentre el centre del fluid es manté per davall de la temperatura de saturació. Finalment, aquest treball presenta la verificació i validació del solver. La verificació s'ha realitzat principalment amb el codi de sistema TRACE, la validació del qual s'ha demostrat en nombrosos treballs i el seu ús està molt estés en la comunitat científica. Per a la validació, es compta amb els resultats de dos casos experimentals que permeten demostrar la validesa física de la nova aplicació desenvolupada. L'ús d'esta plataforma permiteix un futur acoblament més directe, entre elements unidimensionals i tridimensionals, obtenint una major optimització del càlcul.