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On the Reliability of Large-Eddy Simulation for Dispersed Two-Phase Flows

Dimitrova, Desislava Nikolova / D N D :
On the Reliability of Large-Eddy Simulation for Dispersed Two-Phase Flows.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: On the Reliability of Large-Eddy Simulation for Dispersed Two-Phase Flows
Language: English
Abstract:

This work deals with the numerical description of dilute polydispersed and turbulent two-phase flows. The method used to describe the two-phase flow is based on the Eulerian-Lagrangian approach. The carrier phase turbulent flow behavior is modeled utilizing Large Eddy Simulation (LES). Most of the recent DNS investigations attempting to provide insight into particle-fluid interaction mechanisms are performed on simple, mostly homogeneous turbulent flows with very low Reynolds numbers. In contrast to this, LES is an opportunity to extend this studies to flows with significantly higher Reynolds numbers and to more complex geometries. Moreover, it is less restrictive to flows containing particles, larger than the Kolmogorov length scale. The main objective of this work is to assess the state of the art capabilities of the two-phase LES and to identify weak points. Recommendations for additional model development for increasing the predictive ability are derived. The reliability of transfer of findings from one configuration to others is assessed. The conclusions are based on a systematic variation of relevant flow parameters, such as the Reynolds number and the Stokes number, so that a wide range of applications is covered. Therefore, several particle-laden flow configurations (two plane channel flows, a free jet and an evaporating spray at low temperature) are investigated. Special attention is paid to the prediction of the particle preferential accumulation, because of its importance for simulations of mixing and combustion in turbulent flows. By performing a systematic variation of the particle Stokes number (here defined as the ratio of the particle time scale to the Kolmogorov time scale of the fluid) and the flow Reynolds number, it is observed that the maximum preferential accumulation occurs at a constant Stokes number and that this number does not depend on the Reynolds number. The magnitude of the accumulation, however, depends on the Reynolds number of the flow. The effect of an additional sub-grid scale dispersion model on the particle accumulation is found to be less pronounced for particles with characteristic time scales in the order of the Kolmogorov scale. An additional issue arises due to unphysical particle number densities, when preferential accumulation occurs. In this context, the usage of a model, accounting for natural dispersion due to particle collisions, is inevitable. The influence of the dispersed phase on the fluid turbulence is considered in a wall bounded and a free shear flow. The improper modeling of the particle-wall interaction mechanisms can lead to different solutions for the particle velocity field and therefore to different levels of turbulence modification in the near wall region. It should be noted that these solutions are not necessarily unphysical, as some experimental investigations confirm. In contrast to this, the turbulence modification in a free shear flow is predicted very well, moreover, the prediction is found to be reliable for different mass loadings of the dispersed phase. Within the scope of this work, a time efficient non-iterative Fractional Step procedure is applied for the pressure-velocity coupling of the carrier fluid governing equations. The coupling of the method with two-way coupled particle tracking simulations is validated successfully on configurations of isothermal flows and such with low density variation using experimental and DNS data.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit schwachbeladenen polydispersen turbulenten Mehrphasenströmungen. Das Verfahren, das zur Beschreibung der Zweiphasenströmung verwendet wird, basiert auf der Euler-Lagrange Methode. Die Turbulenz in der kontinuierlichen Phase wird mittels Grobstruktursimulation (Large Eddy Simulation, LES) modelliert. Die meisten Untersuchungen mittels Direkten Numerischen Simulation (DNS) neueren Datums, die einen Einblick in die Wechselwirkungsmechanismen zwischen Partikeln und umgebendem Fluid gewähren, beschreiben einfache Strömungen, sehr oft mit homogener Turbulenz und sehr niedrigen Reynolds Zahlen. Im Gegensatz dazu eröffnet LES die Möglichkeit diese Studien auf Strömungen mit wesentlich höheren Reynolds Zahlen und komplexeren Geometrien durchzuführen. Des Weiteren ist das Verfahren weniger restriktiv gegenüber Partikeln, die größer als die Kolmogorov Längenskalen sind. Die wesentliche Zielsetzung dieser Arbeit ist es, den Stand des Wissens bezüglich Zweiphasen-LES einer kritischen Prüfung zu unterziehen und hierbei Schwachpunkte zu identifizieren. Es werden Vorschläge für die weitere Modellentwicklung gemacht, um die Eignung der Methode zur Vorhersage von mehrphasigen Strömungsphänomenen zu steigern. Die Zuverlässigkeit der Übertragung von Erkenntnissen von einer Konfiguration auf andere wird abgeschätzt. Die Schlussfolgerungen sind auf einer systematischen Parameterstudie der relevanten Strömungskenngrößen, wie der Reynolds Zahl oder der Stokes Zahl, begründet, und sichern somit einen großen Anwendungsbereich. Hierzu werden einige partikelbeladene Strömungskonfigurationen untersucht. Diese sind: zwei ebene Kanalströmungen, ein Freistrahl und ein Spray mit Verdampfung bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur. Besondere Beachtung findet die Vorhersage der bevorzugten Akkumulation der Partikel in einer turbulenten Umgebung. Diese ist von besonderer Wichtigkeit bei Simulationen von Mischungs- und Verbrennungsvorgängen in turbulenten Strömungen. Mittels einer systematischen Parameterstudie der Partikel Stokes Zahl (hier definiert als das Verhältnis zwischen einer charakteristischen Partikelzeitskala und der Kolmogorov Zeitskala) und der Reynolds Zahl der Strömung, wird aufgezeigt, dass die maximale bevorzugte Akkumulation immer bei einer konstanten Stokes Zahl auftritt und dass diese Stokes Zahl nicht von der Reynolds abhängt. Die Intensität der Akkumulation wiederum ist eine Funktion der Reynolds Zahl. Der Einfluss eines stochastischen Kleinskalen-Dispersionsmodells auf die Partikelakkumulation ist bewertet und als unwesentlich für Partikel eingestuft, deren charakteristische Zeitskalen in derselben Größenordnung wie die Kolmogorov Zeitskala liegen. Eine zusätzliche Schwierigkeit für die Zweiphasen-LES ergibt sich aus der Tatsache, dass die Standard Euler-Lagrange Methode unphysikalisch hohe Partikelanzahldichten in den Bereichen bevorzugter Konzentration zuläßt, da hier die Partikel-Partikel Kollision nicht berücksichtigt wird. Die Verwendung eines Modells das diese beschreibt, scheint unumgänglich. Der Einfluss der dispersen Phase auf die Fluidturbulenz wird in einer geschlossenen und in einer freien Scherströmung betrachtet. Die ungenaue Modellierung der Partikel-Wand Interaktion in wandgeschlossenen Strömungen kann zu unterschiedlichen Lösungen für das Partikelgeschwindigkeitsfeld führen, und daher auch zu unterschiedlichen Intensitäten der Turbulenzmodifikation. Es sollte berücksichtigt werden, dass diese unterschiedlichen Lösungen keineswegs unphysikalisch sein müssen, wie auch experimentelle Untersuchungen zeigen. Im Gegensatz dazu wird die Turbulenzmodifikation in der freien Scherströmung sehr genau vorhergesagt. Darüber hinaus wird gezeigt, dass diese Vorhersage auch für unterschiedliche Massenbeladungen der dispersen Phase zuverlässig ist. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein effizientes nicht iteratives Fractional Step Verfahren für die Druckgeschwindigkeitskopplung des umgebenden Fluids verwendet. Die Kopplung dieser Methode mit der Zwei-Wege gekoppelten Euler-Lagrange Methode ist erfolgreich für Konfigurationen isothermer Strömungen und solche mit kleiner Dichteänderung validiert, wobei sowohl experimentelle als auch DNS Daten als Referenz verwenden werden.German
Uncontrolled Keywords: Disperse two-phase flows, LES, Eulerian-Lagrangian method, CFD, Two-phase LES reliability
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Disperse two-phase flows, LES, Eulerian-Lagrangian method, CFD, Two-phase LES reliabilityEnglish
Desperse Zweiphasenströmungen, Grobstruktursimulation, Euler-Lagrange Methode, CFD, Zuverlässigkeit von Zweiphasen-LESGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Energie- und Kraftwerkstechnik
Date Deposited: 18 May 2011 11:31
Last Modified: 07 Dec 2012 12:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-25625
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Janicka, Prof. Dr.- Johannes / J J and Stephan, Prof. Dr.- Peter / P S
Refereed: 7 June 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2562
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