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Modeling and simulation of convection-dominated species transfer at rising bubbles

Weiner, Andre (2020):
Modeling and simulation of convection-dominated species transfer at rising bubbles.
Darmstadt, Technical University of Darmstadt, Mathematical Modeling and Analysis, DOI: 10.25534/tuprints-00011405,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Modeling and simulation of convection-dominated species transfer at rising bubbles
Language: English
Abstract:

The gas-liquid interface of rising bubbles deforms dynamically due to the interaction of pressure, viscous forces, surface tension, and body forces. For multiphase-contactors, like bubble column reactors, it is of the highest interest to predict how the gas dissolves and reacts in the liquid phase. This mass transfer process strongly depends on convection-dominated, extremely thin species boundary layers forming at the liquid-side of the bubble interface. Numerical simulations can play a significant role in understanding and predicting the complex interactions between flow dynamics and species transport, but the direct solution of both phenomena at the same time is currently not possible. The large difference of spatial scales between velocity and species boundary layer poses one of the main obstacles. This work proposes a subgrid-scale modeling approach for convection-dominated concentration boundary layers. The boundary layer width can be far smaller than the first cell layer at the interface in the computational mesh. The approach is developed for a finite volume discretization and assumes a fully resolved flow field. Convective fluxes, diffusive fluxes, and reaction source terms are corrected based on non-linear reconstructions of the species boundary layer profiles normal to the interface. Two reconstruction algorithms are presented. The first one is based on analytical solutions derived from boundary layer theory, and the second one employs machine learning algorithms to data generated by a simplified simulation setup. To assess the generalization capabilities of the subgrid-scale model for complex bubble shapes and flow scenarios, a hybrid simulation approach is introduced that solves the two-phase flow problem based on the volume-of-fluid method and uses a single-phase solver for species transport simulations. Finally, subgrid-scale models for surfactant adsorption and reactive species transport are combined with an interface-tracking solver. This procedure enables the simulation of a sulfite-sulfate oxidation around small rising bubbles under the influence of surface-active agents. The numerical results are compared to experiments, which visualize the oxygen concentration based on laser-induced fluorescence.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche aufsteigender Blasen verformt sich dynamisch aufgrund der Wechselwirkung von Druck, viskosen Kräften, Oberflächenspannung und Volumenkräften. Für Mehrphasenapparate wie Blasensäulenreaktoren ist es häufig von enormer Bedeutung vorherzusagen, wie sichdas Gas löst und in der Flüssigkeit reagiert. Dieser Stoffübergangsprozess hängt stark von den konvektionsdominierten, sehr dünnen Speziesgrenzschichten ab, welche sich auf der Flüssigkeitsseite der Blasengrenzfläche ausbilden. Numerische Methoden können eine wichtige Rolle für das grundlegende Verständnis und die Vorhersagbarkeit der Wechselwirkungen zwischen Strömungsdynamik und Speziestransport spielen. Allerdings ist die gleichzeitige direkte Lösung beider Phänomene derzeit nicht realisierbar. Der wesentliche Grund dafür ist der große Unterschied in der räumlichen Ausdehnung von Geschwindigkeits- und Konzentrationsgrenzschicht normal zur Grenzfläche. Diese Arbeit führt einen Subgridskalen-Ansatz zur Modellierung von konvektionsdominierten Konzentrationsgrenzschichten ein. Die Dicke der Grenzschicht kann dabei kleiner als die erste Zellschicht des Rechengitters an der Grenzfläche sein. Der Ansatz ist auf die Finite-Volumen-Diskretisierung spezialisiert und setzt ein direkt berechnetes Strömungsfeld voraus. Konvektive Flüsse, diffusive Flüsse, und Reaktionsquellterme werden mithilfe von nichtlinear rekonstruierten Konzentrationsverteilungen normal zur Grenzfläche korrigiert. Zwei verschiedene Rekonstrukionsverfahren werden dazu vorgestellt. Der erste Ansatz basiert auf analytischen Lösungen von Grenzschichtgleichungen, während der zweite Ansatz Algorithmen des machinellen Lernens einsetzt, welche wiederum Daten aus der numerischen Lösung eines vereinfachten Ersatzproblems verwenden. Um die Fähigkeit der Subgridskalen-Beschreibung zur Generalisierung auf reale Anwendungsfälle mit komplizierten Blasenformen und Umströmungen zu bewerten, wird ein hybrider Simulationsansatz vorgestellt. Das Verfahren verwendet die Volume-of-Fluid Methode zur Lösung des Zweiphasenproblems und nutzt einen Einphasenansatz für die Berechnung des Speziestransports. Schließlich werden Subgridskalen-Modelle für Tensidadsorption und reaktiven Stofftransport mit einem interface-tracking Löser kombiniert. Dieser Ansatz erlaubt die Simulation einer Sulfid-Sulfat-Oxidation um kleine aufsteigende Sauerstoffblasen unter dem Einfluss oberflächenaktiver Substanzen. Die numerischen Ergebnisse werden mit Experimenten verglichen, welche laserinduzierte Fluoreszenz zur Sichtbarmachung der Sauerstoffkonzentration verwenden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
Date Deposited: 02 Mar 2020 14:35
Last Modified: 02 Mar 2020 14:35
DOI: 10.25534/tuprints-00011405
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-114054
Referees: Bothe, Prof. Dr. Dieter and Stephan, Prof. Dr. Peter
Refereed: 21 January 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11405
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