Simulation of a Taylor bubble in counter-current flow using an interface-capturing method

Ismail, Bayan (avtor), Tiselj, Iztok (mentor), Vihavainen, Juhani (komentor)

A two-dimensional axisymmetric numerical model was developed in ANSYS Fluent to investigate the hydrodynamics of a Taylor bubble in a vertical counter-current water flow. The liquid-gas interface was captured using the Coupled Level Set and Volume of Fluid (CLSVOF) method. We evaluated the influence of spatial resolution on interface reconstruction, falling liquid film dynamics, internal gas circulation within the bubble, and the model’s capability to predict subtle capillary waves observed in experimental investigations at the THELMA laboratory. The model successfully reproduced the primary hydrodynamic features, including the rounded bubble nose, the falling liquid film, the primary vortex inside the bubble, and the key recirculation zones in the liquid wake behind the bubble tail. The results demonstrate that accurately resolving these phenomena requires a computational grid where the cell aspect ratio (axial-to-radial length) does not exceed 2:1. The primary limitations of the axisymmetric formulation arise in resolving secondary flow structures. The counter-rotating secondary vortex in the bubble tail was notably underpredicted compared to experimental measurements. Furthermore, the accuracy of the axisymmetric model is inherently constrained in the liquid wake; while it captures the dominant vortices and predicts their unsteady nature, it cannot reproduce the intrinsically three-dimensional wake dynamics. This limitation is critical, as both 3D reference simulations and experimental data confirm the three-dimensional characteristics of these regions. Simulations on a very fine grid demonstrated that the axisymmetric model can capture interfacial capillary waves; however, their spatial locations were mispredicted due to discrepancies in the internal velocity field. Moreover, the ultra-fine grid triggered an unphysical breakup along the symmetry axis at the bubble tail and generated a spurious vortex near the bubble nose along the axis, highlighting numerical artifacts of the implemented CLSVOF formulation in ANSYS Fluent.

• Jezik: Angleški jezik
• Ključne besede: Taylor bubble, counter-current flow, CLSVOF, ANSYS Fluent, capillary waves
• Vrsta gradiva: Magistrsko delo/naloga
• Tipologija: 2.09 - Magistrsko delo
• Organizacija: FMF - Fakulteta za matematiko in fiziko
• Leto izida: 2026
• PID: 20.500.12556/RUL-189769
• COBISS.SI-ID: 301898243
• Datum objave v RUL: 15.10.2026

Sekundarni jezik

• Jezik: Slovenski jezik
• Naslov: Simulacija Taylorjevega mehurja v protitoku z metodo za zasledovanje medfazne površine

Izvleček

V programu ANSYS Fluent smo razvili dvodimenzionalni osnosimetrični numerični model za raziskovanje hidrodinamike Taylorjevega mehurja v navpičnem protitoku vode. Medfazno površino smo modelirali s sklopljenim Level-Set in Volume-of- Fluid modelom (metoda CLSVOF). Raziskali smo vpliv prostorske ločljivosti na rekonstrukcijo medfazne površine, dinamiko filma kapljevine, notranje kroženje zraka v mehurju ter sposobnost modela za napovedovanje drobnih kapilarnih valov, ki so bili posneti v poskusih v laboratoriju THELMA. Z modelom smo reproducirali glavne hidrodinamske karakteristike, vključno z za- obljenim nosom mehurja, filmom kapljevine, primarnim vrtincem v mehurju ter ključne recirkulacijske vrtince v kapljevini za repom mehurja. Pokazali smo, da je za uspešno simulacijo omenjenih pojavov potrebna diskretna mreža, v kateri razmerje med aksialno in radialno dolžino diskretnih celic modela ne presega vrednosti 2:1. Glavne omejitve osnosimetričnega modela so vidne pri sekundarnih tokovnih struk- turah. Sekundarni vrtinec zraka v repu mehurja, ki se vrti v nasprotni smeri od glavnega vrtinca, je bil v naših simulacijah precej šibkejši od izmerjenega. Natančnost osno simetričnega modela je pričakovano manjša tudi pri opisu kapljevine za repom mehurja. Model opiše glavne vrtince in napove njihovo nestacionarno naravo, ne more pa reproducirati tridimenzionalnega gibanja kapljevine za repom mehurja. Ta omejitev je še posebej pomembna, saj tridimenzionalna referenčna simulacija in eksperimentalne meritve kažejo, da imata ti dve območji tridimenzionalne značilnosti. Simulacija na zelo gosti mreži je pokazala, da je z osno simeričnim modelom mogoče simulirati tudi kapilarne valove na medfazni površini, a je bila pozicija teh valov zaradi nenatančne napovedi hitrostnega polja v mehurju, napačna. Poleg tega je pri uporabi zelo goste mreže prišlo do nefizikalnega razpada Taylorjevega mehurja v osi na repu Taylorjevega mehurja in do nastanka nefizikalnega vrtinca v nosu mehurja tik ob simetrijski osi, kar kaže na težave uporabljenega modela v programu ANSYS Fluent.

• Ključne besede: Taylorjev mehur, protitok, CLSVOF, ANSYS Fluent, kapilarni valovi