Flows with evaporation and boiling are abundant in different contexts, such as geophysics, the biomedical sectors, and industrial applications. Spray combustion, boiling bubble flows, oceanic sprays, formation and evolution of clouds, spreading of infectious diseases are all relevant examples where a deeper understanding of phase-changing flows is of great importance. Fully resolved simulations may assume a central role of investigation as they can overcome the current limitations of the experimental techniques and complement them.

In the first part of this work, we present novel methodologies to perform interface-resolved simulations of phase-changing flows addressing the following three challenges: i) handling abrupt variations of the velocity field across the interface, ii) accurately evaluating the heat and mass interfacial fluxes, iii) incorporate compressibility inevitably present in bounded domains. Both sharp and diffuse interface formulations are considered and the resulting two methods are designed for different classes of multiphase flows. First, we devise a weakly compressible algorithm to describe incompressible evaporating droplets surrounded by a compressible gas medium treated in the low-Mach limit. This approach combines a volume of fluid method and the pressure-splitting techniques of zero-Mach methods to ensure volume conservation of the liquid phase and conservation of the mass of the compressible phase. Next, we develop a fully compressible algorithm for compressible bubbles in boiling flows, where rapid expansions and nonuniformity of the thermodynamic pressure fields make the zero-Mach limit inadequate.

In the second part of the thesis, we discuss how these numerical tools can be utilized to study relevant configurations of evaporating flows. Two flow regimes are considered: i) dispersed droplets, and, ii) a horizontal gas-liquid interface. Droplets are first considered in homogeneous shear turbulence in a dilute condition. Here, we benchmark the semi-empirical correlations for the evaporation rate with the data extracted from DNS of finite-size droplets and study the effect of deformation on the global and local evaporation rate. Thereafter, we move then to a denser regime in a triperiodic domain and study the deviation from the d²-law as a function of initial gas temperature and liquid volume fractions. We confirm that even when evaporation is purely driven by diffusion, deviations from the d²-law cannot be characterized only by the initial volume fraction, but also temperature plays a role: high temperature promotes the departure from the d²-law regime at higher volume fractions, while at ambient temperature, this departure occurs at lower volume fraction. Next, we study the evaporation occurring at a gas-liquid interface in Rayleigh–Bénard convection. For this configuration, we develop an analytical prediction of the interface temperature and the global heat transfer modulation and interface-resolved simulations are employed to assess the validity of the models. The excellent agreement opens the possibility to employ the suggested law for those applications where accurate predictions of interface temperature and heat transfer are sought.

Flöden med avdunstning och kokning är vanligt förekommande i olika sammanhang, t.ex. inom området geofysik och biomedicin samt industriella tillämpningar. Sprayförbränning, kokande bubbelflöden, oceaniska sprayer, bildning och utveckling av moln, spridning av infektionssjukdomar är alla relevanta exempel där en djupare förståelse för fasskiftande flöden är av stor vikt. Högupplösta numeriska simuleringar kan ha en viktig roll i undersökningen av dessa fenomen, eftersom de kan övervinna begränsningarna hos de existerande experimentella metoderna och komplettera dem.

I den första delen av detta arbete presenterar vi nya metoder för gränssnitt\-supplösta simuleringar av fasskiftande flöden som adresserar följande tre utmaningar: i) att hantera snabba variationer av hastighetsfältet över gränssnittet, ii) att noggrant utvärdera överföring av värme och massa vid gränssnittet, iii) att inkorporera kompressibilitet av fluiden som oundvikligen finns i avgränsade domäner. Både skarpa och diffusa gränssnittsformuleringar behandlas här, och de resulterande två metoderna är designade för olika klasser av flerfasflöden. Först har vi tagit fram en algoritm för ett svagt kompressibelt flöde för att beskriva  avdunstning av inkompressibla droppar omgivna av ett kompressibelt gasmedium i gränsen för låga Machtal. Detta tillvägagångssätt kombinerar en vätskevolymmetod och tryckdelningstekniken för beräkning av ett inkompressibelt flöde för att säkerställa bevarande av av vätskefasens volym och massan av den kompressibla fasen. Därefter har vi utvecklat en algoritm för kompressibla bubblor i kokande flöden, där snabba expansioner och variationer i de termodynamiska tryckfälten gör approximationen för ett flöde med lågt Machtal otillräcklig.

I den andra delen av avhandlingen diskuterar vi hur dessa numeriska verktyg kan användas för att studera relevanta fall av flöden där förångningsprocessen ingår. Här beaktar vi två flödesregimer: i) dispergerade droppar, och ii) en horisontell gas-vätskegränsyta. Droppar betraktas först i ett homogent turbulent flöde i utspätt tillstånd. Här jämför vi de semi-empiriska korrelationerna för avdunstningshastigheten med data från direkt numeriska simuleringar för små droppar och studerar effekten av deformation på den globala och lokala förångningshastigheten. Därefter betraktar vi fall med högre densitet av droppar i en domän med periodiska randvillkor i alla riktningar och studerar avvikelsen från d²-lagen som en funktion av initial gastemperatur och vätskevolymfraktion. Vi bekräftar att även när förångningen enbart drivs av diffusion, kan avvikelser från d²-lagen inte karakteriseras endast av den initiala volymfraktionen, utan även temperaturen spelar en roll: hög temperatur främjar avvikelsen från d²-lagsregim vid högre volymfraktion, medan vid omgivningstemperatur sker denna avvikelse vid lägre volymfraktion. Därefter studerar vi förångningen som sker vid ett gas-vätskegränssnitt i ett Rayleigh–Bénard-konvektion flöde. För denna konfiguration utvecklar vi analytiska utryck för gränssnittstemperaturen och den globala värmeöverföringsmoduleringen och använder gränssnittsupplösta simuleringar för att bedöma modellernas giltighet. Den utmärkta överstämmelsen mellan modellen och simuleringsdata öppnar möjligheten för användning av den föreslagna analytiska modellen för de applikationer där exakt prediktering av gränssnittstemperatur och värmeöverföring eftersträvas.