The multilayer volume-of-fluid method for multiphase flows across scales: breaking waves, microfluidics, and membrane-less electrolyzers

This thesis presents numerical methods, software, and simulations of multiphase flows with bubbles at various scales based on the volume-of-fluid approach. The applications originate from the goal of developing a numerical model of electrochemical reactors for water electrolysis. Conventional reactors use a proton-exchange membrane to separate the products. Membrane-less reactors, investigated in this work, instead rely on the flow of electrolyte that carries away the generated bubbles. Currently, electrochemical production of hydrogen is superseded by cheaper production from fossil fuels. This justifies research aimed at the reduction of the cost and exploring newer designs of electrolyzers. A major component of the model describes flows with bubbles including the effects of surface tension. The first part of the thesis presents a hybrid particle volume-of-fluid method for curvature estimation that is more accurate at lower resolutions than standard techniques. The method is applied to various cases of bubble coalescence, air entrainment, and bubbles in vortical flows. The second part is devoted to flows with bubbles that do not coalesce. Surfactants stabilize the liquid films between bubbles so they can collide or create a stable structure known as foam. A standard approach to describe such cases introduces a separate volume fraction field for each bubble making the cost proportional to the number of bubbles in the simulation. The multilayer volume-of-fluid method is introduced to overcome this challenge. The demonstrated applications include the generation of foam in microfluidic devices and breaking waves. Finally, the developed methods are applied to flows in electrolyzers. The simulations of bubble dynamics in electrolyzers supported by experimental data have helped to gain understanding of the physical mechanisms governing their operation. Components describing the relevant electrochemical phenomena are then combined in a multiscale model that represents small bubbles nucleated on the electrodes as Lagrangian particles.Diese Dissertation stellt numerische Methoden, Software und Simulationen von Mehrphasenströmungen mit Blasen in verschiedenen Massstäben vor, die auf dem Ansatz des Volume-of-Fluid-Methode basieren. Die Anwendungen ergeben sich aus dem Ziel, ein numerisches Modell von elektrochemischen Reaktoren für die Wasserelektrolyse zu entwickeln. Konventionelle Reaktoren verwenden eine Protonenaustauschmembran zur Trennung der Produkte. Die membranlosen Reaktoren, die in dieser Arbeit untersucht werden, stützen sich stattdessen auf den Fluss des Elektrolyten, der die erzeugten Blasen abtransportiert. Derzeit wird die elektrochemische Erzeugung von Wasserstoff durch die billigere Erzeugung aus fossilen Brennstoffen verdrängt. Das rechtfertigt Forschungsarbeiten, die auf die Senkung der Kosten und die Erforschung neuerer Elektrolyseurkonzepte abzielen. Eine Hauptkomponente des Modells beschreibt Strömungen mit Blasen einschliesslich der Auswirkungen der Oberflächenspannung. Der erste Teil der Arbeit stellt eine hybride Partikel-Volume-of-Fluid-Methode zur Krümmungsabschätzung vor, die bei niedrigeren Auflösungen genauer ist als Standardverfahren. Die Methode wird auf verschiedene Fälle von Blasenkoaleszenz, Lufteintrag und Blasen in Wirbelströmungen angewendet. Der zweite Teil ist Strömungen mit Blasen gewidmet, die nicht zusammenwachsen. Tenside stabilisieren die Flüssigkeitsfilme zwischen den Blasen, so dass sie zusammenstossen oder eine stabile Struktur bilden können, die als Schaum bekannt ist. Ein Standardansatz zur Beschreibung solcher Fälle führt ein separates Volumenanteilsfeld für jede Blase ein, wodurch die Kosten proportional zur Anzahl der Blasen in der Simulation sind. Die Multilayer-Volume-of-Fluid-Methode wird eingeführt, um diese Herausforderung zu überwinden. Zu den demonstrierten Anwendungen gehören die Erzeugung von Schaum in mikrofluidischen Geräten und das Brechen von Wellen. Schliesslich werden die entwickelten Methoden auf Strömungen in Elektrolyseuren angewandt. Die Simulationen der Blasendynamik in Elektrolyseuren, unterstützt durch experimentelle Daten, haben dazu beigetragen, die physikalischen Mechanismen zu verstehen, die deren Betrieb bestimmen. Die Komponenten, die die relevanten elektrochemischen Phänomene beschreiben, werden dann in einem Multiskalenmodell kombiniert, das kleine Blasen, die sich an den Elektroden bilden, als Lagrangesche Teilchen darstellt