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Second-moment closure modeling of turbulent bubbly flows within the two-fluid model framework

Ullrich, Matthias :
Second-moment closure modeling of turbulent bubbly flows within the two-fluid model framework.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Second-moment closure modeling of turbulent bubbly flows within the two-fluid model framework
Language: English
Abstract:

The present study is focused on the simulation of turbulent bubbly flows by utilizing the two-fluid model (TFM) in conjunction with advanced near-wall Reynolds-stress models (RSMs) within the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) framework. Such anisotropy-resolving turbulence models, employed in combination with the TFM, have been rarely used so far for two-phase flow computations. The presently adopted RSMs are based on the formulations initially proposed by Jakirlic and co-workers for incompressible single-phase flows. Two essentially different RSM versions are selected to be applied in the present work. One model version is formulated within the conventional RANS framework, whereas the second one resembles an instability-sensitized RSM variant, capable of adequately resolving the fluctuating turbulent motions in accordance with the scale-adaptive simulation (SAS) proposal by Menter and Egorov. The necessary modifications of both Reynolds-stress models to be used within the TFM computational framework, also in conjunction with different model formulations accounting for the bubble-induced turbulence, require an appropriate coupling algorithm, which, independent of the geometrical complexity of the flow configurations considered, represents by itself a challenging task. The three reference flow configurations, chosen for the model validation, are the turbulent bubbly flows in a straight and suddenly-expanded vertical pipe over a range of Reynolds numbers and a square cross-sectioned bubble column. In addition, due to sake of comparative evaluation, the available corresponding single-phase flows are investigated by using both RSMs. The presently realized numerical investigations demonstrate a successful employment of both Reynolds-stress models for bubbly flow computations. In all three flow configurations the results obtained with the conventional RSM exhibit a high level of qualitative and quantitative agreement with the available reference data. The novel scale-resolving RSM reveals its high potential, representing a promising approach for further investigations.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Simulation turbulenter Blasenströmungen im Rahmen der Euler-Euler Methode mittels eines wandauflösenden Reynolds-Spannungsmodells (RSMs), das auf dem Konzept der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes Gleichung basiert. Solche, die Anisotropie der turbulenten Spannungen erfassenden, Turbulenzmodelle sind bis heute in nur wenigen Untersuchungen mit Blasenströmungen angewandt worden. Das hier verwendete RSM basiert auf den Arbeiten von Jakirlic et al. für inkompressible einphasige Strömungen und liegt dabei in zwei unterschiedlichen Formulierungen vor. Die erste entspricht dem konventionellen Ansatz der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes Gleichungen und die zweite einer instationären skalenauflösenden Formulierung zur Erfassung der turbulenten Fluktuationen. Letztere basiert auf dem Ansatz der Skalen-adaptiven Simulation (SAS) nach einem Vorschlag von Menter und Egorov. Die Implementierung und Anpassung des RSM in die Euler-Euler Methode und die damit benötigten Anpassungen der Modelle bergen große Herausforderungen hinsichtlich der numerischen Kopplung. Zusätzlich werden Modelle zur Erfassung der blaseninduzierten Turbulenz verwendet. Drei unterschiedliche Anwendungsfälle von turbulenten Blasenströmungen dienen zur Validierung: Turbulente Blasenströmungen in einem senkrechten Rohr bei verschiedenen Reynoldszahlen, die Strömung durch eine plötzliche Querschnittserweiterung in einem senkrechten Rohr und eine Blasensäule mit quadratischem Querschnitt. Für die ersten beiden Testfälle werden die korrespondierenden einphasigen Strömungen erstmalig mit den vorliegenden Reynolds-Spannungs-modellen berechnet. In den durchgeführten Simulationen zeigt das konventionelle RSM eine sehr gute qualitative Übereinstimmung mit den experimentellen Referenzwerten und erreicht in einem Großteil der Fälle ebenso eine quantitative Übereinstimmung. Die skalenauflösende Formulierung zeigt das vorhandene Potential solch einer neuartigen Formulierung und sollte in nachfolgenden Untersuchungen weiter analysiert werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA) > Modelling and simulation of turbulent flows
Date Deposited: 24 Feb 2017 10:18
Last Modified: 24 Feb 2017 10:18
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-59427
Referees: Tropea, Prof. Dr. Cameron and Jakirlic, Apl. Prof. Suad and Janicka, Prof. Dr. Johannes
Refereed: 15 November 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5942
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