Advancements in chemical engineering processing focused on miniaturization of reactor flow systems has led to the adoption of mixing arrangements commonly employed in single phase applications into multi-phase systems. The planar serpentine channel is one such arrangement, found in compact heat exchangers, turbines, mini/micro-reactors and fuel cells. While extensive literature is available for serpentines with single phase flow, a limited understanding of the hydrodynamics and mass transfer characteristics of two phase flow exists. The curvature-induced flow pattern transitions, pressure drop, potential enhancement of mass transfer and suitability of common multi-phase CFD approaches were studied in this work for 1 mm circular channels with serpentine configurations consisting of consecutive return bends with radii of curvature of 3 and 6 mm.

The flow patterns generated by a 1 mm circular cross-flow T-junction were analyzed using high-speed imaging and compared to those observed within the serpentine geometries. The variation in flow behavior was illustrated in bubble breakup maps identifying the shifts in flow pattern transition boundaries and the onset of bubble breakup. The interactions between the interface and curvature-induced secondary flow were described by a combination of the Weber number and the characteristic length for single-phase flow in curved geometries, where critical values of We_LGL_C = 3, We_LGL_C = 10 and We_LGL_C = 15 are proposed for the onset of deformation, intermittent breakup, and continuous breakup, respectively.

Pressure drop measurements obtained for single and two-phase flow in straight and serpentine geometries were used to develop a semi-empirical separated flow model to predict two-phase friction factors. Five operating regions were identified, each having distinct friction factor dependencies on We_LG, L_C and ε_G. The transitions between these regions depended on the phase holdup and/or the critical We_LGL_C observed for the onset of deformation and continuous breakup.

The parametric dependency of gas-liquid inter-phase mass transfer in idealized Taylor flow was numerically investigated. The relative contributions of film and cap mass transfer at conditions suitable to industrial applications indicate that neither mechanism can be neglected when concentration polarization within the bubble film and mass transfer resistance between the slug film and bulk are accounted for. The introduction of curvature is predicted to increase overall mass transport through shear-induced deformation and secondary flow by up to 7% based on highly conservative assumptions.

Finally, the diffuse interface (DI) CFD model is introduced as a suitable interface tracking technique for modeling immiscible fluids in surface tension dominated flow. Key modifications are proposed to eliminate fundamental issues of the traditional DI approach, relaxing numerical constraints responsible for limiting practical applications to highly structured 2D and axisymmetric geometries. The new methodology proposed in this thesis was implemented in OpenFOAMR_®, and validated for benchmark simulations including scalar transport, free surface flow and droplet deformation in shear.

Les progres en genie chimique axes sur la miniaturisation des ecoulements ont conduit a l'utilisation de systemes de melange concus pour les applications monophasees lors d'operations polyphases. Une conduite planaire en forme de serpentin est un melangeur de ce genre, trouvee dans les echangeurs de chaleur compacts, turbines, mini/micro-reacteurs et piles a combustible. Bien que vaste litterature soient disponibles pour les conduites en serpentin ay ant de grandes longueurs entre Talternance des coudes de 180°, il manque d'informations sur l'hydrodynamique et les phenomenes d'echanges lorsque cette distance est reduite. Les regimes d'ecoulement, la chute de pression, le transfert de matiere et la pertinence des approches communes en CFD ont done ete etudies pour un systeme diphase air-eau s'ecoulant dans des conduites circulaires de 1 mm de diametre en serpentin ayant des coudes avec des rayons de courbure de 3 et 6 mm.

En utilisant l'imagerie a haute vitesse, les morphologies des ecoulements gaz-liquide generes par une jonction en T circulaire ont ete analysees et comparees a celles observees dans le serpentin. Les differents types d'ecoulement ont ete illustres sur une carte identifiant les limites des regimes d'ecoulement ainsi que les conditions de bris de bulles. Les interactions entre l'interface gaz-liquide et les ecoulements secondaires induites par les courbes de la conduite ont ete decrits par une combinaison du nombre de Weber et la longueur caracteristique d'un ecoulement monophase dans des geometries courbees, ou les valeurs critique We_LGL_C = 3, We_LGL_C = 10 et We_LGL_C = 15 sont respectivement proposees pour le debut de la deformation, la rupture intermittente, et la rupture continue des bulles.

Les chutes de pression obtenues lors d'ecoulements mono- et diphase dans des conduites en ligne droite et en serpentin ont ete utilisees pour developper un model semiempirique qui estime les coefficients de frottement. Cinq regions d'operations ont ete identifiees, chacune ayant des dependances distinctes du coefficient de frottement sur We_LG, L_C et ε_G. Les transitions entre ces regions dependent de la retention des phases et/ou de We_LGL_C critique observee pour le debut de la deformation et la rupture continue des bulles.

La dependance parametrique du transfert de matiere entre le gaz et le liquide pour un regime d'ecoulement piston idealise a ete etudiee numeriquement. Les contributions relatives de transfert de matiere par la paroi et le cap de la bulle lors de conditions typiquement obtenues en industrie indiquent que ni mecanisme peut etre neglige lorsque la polarisation de la concentration dans le film a la paroi de la bulle et la resistance de transfert de matiere entre le film du piston liquide et son milieu sont considerees. L'introduction de courbure dans la conduite augmentera le taux de transfert de matiere due a la deformation de 1'interface et aux ecoulements secondaires d'un maximum de 7% base sur des hypotheses tres conservatrices.

Enfin, le modele d'interface diffuse (DI) utilise en CFD est presente comme une methode potentielle de suivre l'interface pour la modelisation de fluides non-miscibles lors d'ecoulements domines par la tension de surface. Des modifications cles sont proposees afin d'eliminer les problemes fondamentaux de l'approche traditionnelle du DI, ce qui assouplie les contraintes numeriques responsables des limites d'applications pratiques a des geometries 2D tres structurees et axisymetriques. La methode proposee a ete mise en oeuvre dans OpenFOAM ®, et validee pour des simulations de references, incluant le transport scalaire, l'ecoulement a surface libre et la deformation d'une gouttelette en cisaillement.