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Study of turbulent dispersion modelling effects on dispersed multiphase flows properties

Ahmadi, Wahidullah :
Study of turbulent dispersion modelling effects on dispersed multiphase flows properties.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Study of turbulent dispersion modelling effects on dispersed multiphase flows properties
Language: English
Abstract:

The recent trend in energy research sought for a gas turbine combustor with highest possible thermal efficiency in compliance with the present environment regulation norms. Such a design improvement requires a detailed understanding of all the physical process involved from the air intake to turbine compressor to final exhaust.

The CFD is one of the most widely used technique for design and process optimization of gas turbine, that considerably reduces the cost involved and overall design time line.

The fuel injection is one of the vital process that determine the course of combustion inside the combustion chamber as it is primarily responsible for the fuel-air mixture formation and subsequent combustion.

The fuel injection itself is a complex process that is highly turbulence in nature and mean time it undergoes different kind of physical phenomena such as such as breakup (atomization), dispersion, evaporation and subsequent combustion.

The present work is mainly on the development and application of different mathematical sub-models to describe the physics of turbulent spray, which is typical for gas turbine combustors.

The applied models were formulated in the Eulerian-Lagrangian context in Lag-3D code and coupled with FASTEST code as a gas phase solver.

In order to quantify the instantaneous velocity seen by the particle as it appears in the particle motion equation and its effect on the particle distribution, dispersion model is needed. Turbulent dispersion is very important which influences the particle trajectories that are especially important when evaporation takes place. In the present thesis, three dispersion models, namely RWM-Iso, RWM-Aniso and PLM, are integrated and compared in this work.

Furthermore a systematical study in three configuration of different dispersion models and their influence on mass transfer and different turbulent intensities has been satisfactory carried out.

So the simulations have shown that the PLM model allows for achieving results that agree very well with the experimental measurement of the droplet mass flux in particular in upper sections. This means that the consideration of the advanced dispersion models like PLM enables to account well for anisotropic turbulence as well as vortex structures inherent to complex turbulent two phase flows.

In order to capture well the unsteady dynamics using RANS calculation, a modified SAS model has been adopted and compared with the standard k-epsilon model. Comparisons with experimental data shows that the SAS model is able to capture well the overall flow dynamics.

To represent the actual atomization dynamics for the dispersed phase in vicinity of particle injection nozzle, a stochastic model of drops air-blast breakup following the Kolmogorov´s model is implemented first time in Lag-3D and respective improvement is shown in the results.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der Trend in Energie-Forschung ist den Wirkungsgrad (z.B bei Gasturbinen, Verbrennungsmotoren)zu erhöhen und gleichzeitig die schädlichen Emissionen, die bei der Verbrennung entstehen, zu senken. Für dieses Vorhaben ist das Verständniss der grundlegenden physikalischen Prozesse von Eintritt der Luft im Brennkammer bis zum Austritt der Abgase aus dem Brennkammer von großer Bedeutung. CFD (Computational Fluid Dynamics) ist ein zeit- und geldsparender Technique, um die obengenannten Ziele zu erreichen. Hierrin ist die Brennstoffzerstäubung ein wichtiger Prozess sowohl für die Gemischbildung als auch für die nachfolgende Verbrennung in dem Brennkammer. Schon die Zerstäubung der flüssigen Brennstoffe ist ein komplexer Prozess, der zusätzlich mit Zerstäubung, Dispersion, Verdampfung und Verbrennung behaftet ist. In dieser Arbeit ist der Hauptfokus auf die Entwicklung und Verwendung von verschiedenen Untermodelle gelegen, um die physikalischen Prozesse bei der turbulenten Sprayverbrennung im Gasturbinen-Kontext zu untersuchen. Die verwendeten Modelle wurden in Eulerian-Lagrangian-Kotext durchgeführt. Für die Gasphase wurde der Code FASTEST und für die disperse Phase den Code LAG3D verwendet. Turbulente Dispersion beeinflusst die Partikel-Trajektorie und wird insbesondere wichtig, wenn Verdampfung eine große Rolle spielt. Im RANS-Kontext wird die gemittelte Geschwindigkeit des Feldes ausgegeben. Für die Berechnung der Tropfen-Bewegungsgleichung wird die instantane Geschwindigkeit des Fluidfeldes an der Stelle des Partikels benötigt. Dies wird mit Hilfe eines Dispersionsmodell gerechnet. In der vorliegenden Arbeit wurden 3 Dispersionsmodelle, RWM-Iso, RWM-Aniso und PLM, zusammengefasst und miteinander verglichen. Für den Vergleich wurden 3 Konfiguration herangezogen,um die Modelle in unterschiedlichen instationäre Intensitäten zu testen und zu vergleichen. Die erste Konfiguration war ein Vertikal Kanal, wo die instationäre Effekte vergleichsweise niedrig waren. Der Vergleich von berechneten und experimentellen Daten für Partikelgeschwindigkeit und Partikelgeschwindigkeitsfluktuationen im Inlet-Bereich der Konfiguration zeigte für alle drei Modelle gleich gute Übereinstimmung. Weit weg von dem Inlet-Bereich leistete PLM bessere Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Die RWMs lieferten dagegen in diesem Bereich konstante Fluktuationen. Um mehr Instationarität im RANS-Kontext zu bekommen, wurde eine modifizierte SAS Modell adaptiert und mit standard k-epsilon Model verglichen. Der Vergleich mit den experimentellen Daten zeigt, dass SAS Modell die turbulenten Strukturen gut lösen kann. Um die Anfangsbedingung für die dispersen Phase von den experimentellen Daten unabhängig zu machen, wurde ein stochastisches Breakupmodell, das Kolmogorov’ s Model, für die Zerstäubung implementiert und konnte gute Ergebnisse liefern.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: dispersion, breakup, evaporation, URANS, RANS, atomization, kolmogorov
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Energy and Power Plant Technology (EKT)
Date Deposited: 07 Oct 2013 09:47
Last Modified: 07 Oct 2013 09:47
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-36107
Referees: Janicka, Prof. Dr. Johan and Sadiki, Prof. Dr. Amsini and Epple, Prof. Dr. Bernd and Klingauf, Prof. Dr. Uwe and Anderl, Prof. Dr. Reiner and Oechsner, Prof. Dr. Matthias
Refereed: 4 June 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3610
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