Fundamental studies of plugging in multiphase flows with adhesive particles

I dette prosjektet undersøker vi prosessen bak et hverdagslig fenomen de fleste av oss har opplevd i kjøkkenet eller på badet: at avløpsrør blir blokkerte. En lignende type blokkering skjer også i oljerør, noe som kan lede til store økonomiske og økologiske tap. Blokkerte blodårer er dessuten en av de viktigste grunnene til hjerneslag. Selv om fenomenet er veldig vanlig, vet vi ikke så mye om hvordan partikler bygger opp proppen som i disse tilfellene stopper strømmen. Av og til kan mange partikler strømme gjennom kanalen helt uten deponering eller tilstopping, andre ganger kan langt færre partikler umiddelbart stoppe strømmen. For å oppnå bedre forståelse av proppdannelse, studerer vi denne prosessen i en ny eksperimentell rigg som har blitt bygget ved Høgskulen på Vestlandet. Datasimuleringer av disse eksperimentene beskriver hvordan partikler spiller sammen med fluidstrøm og hvordan partiklene klistrer seg sammen under proppdannelse. I prosjektperiode 2020-2022 fikk vi følgende resultater: - en ny flerfase strømningskrets med adhesive partikler. Denne riggen kan vi blokkere med partikler ved behov samt kontrollere prosessen innen et transparent rør som er montert i riggen. - numeriske modeller som kan simulere kollisjoner mellom partikler med bedre nøyaktighet. De modellene har blitt brukt for å simulere deponering av partikler i luftveier. - nye radioaktive ispartikler for bruk innen Positron Emission Tomography. Partiklene er ikke toksiske og kan muligens brukes i mediske undersøkelser av strømmer inni levende organismer. - vi har kjørt PET eksperimenter og fikk vite at isen er mest adhesiv når temperatur i riggen nærmer seg -1 C. - vi har utviklet numeriske modeller av proppdannelse og har sjekket dem mot egne eksperimenter. I 2022 fikk vi en gjesteforsker fra Ecoles des Mines på besøk for å måle viskositet til flerfase blandinger.

-

When the sticky particles are dispersed in a pipe flow they may agglomerate and deposit on the walls. In many cases this leads to formation of plugs that block the pipe. The problem is crucial for the processing industry as technological plugs lead to unwanted environmental and financial loss. Even more dramatically, plugs in blood vessels disorder hemodynamics, increasing mortality risk. Although plugging is common in daily life (e.g. sink clogging), the process is driven by complex inter-related phenomena and therefore is not entirely understood. This project, first of its kind, aims to investigate plugging by means of numerical modeling. In contrast to previous studies, the model, based on a revisited CFD-DEM principle, will accurately simulate attractive particulate interactions on "particle-by-particle" principle while being computationally intensive to reproduce a real-scale plug. The model will implement collisional schemes already developed by the applicant. The accuracy of the model will be verified with the high-resolution positron emission particle tracking technique (PEPT). An important advantage of the project is to elucidate plugging with PEPT, that has never been done before. Globally the project will provide a fundamental understanding of the influence of dimensionless flow parameters on the kinetics of plugging. Flow maps of the plugging regime are among the most important deliverables of the planned study. They will provide the Norwegian industry with a valuable tool for avoiding plug formation already at the design stage. This project will establish a new direction at HVL, aiming to increase levels of environmental safety and production efficiency for the Norwegian processing industry. This activity connects to our recently launched PhD program in engineering computing and builds a new inter-disciplinary research group in Western Norway, collaborating with already established researchers in Norway and abroad.