TU Darmstadt / ULB / TUprints

Direct Numerical Simulations of Reactive Transport Processes at Single Bubbles

Falcone, Manuel :
Direct Numerical Simulations of Reactive Transport Processes at Single Bubbles.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

[img]
Preview
Text
PhdThesisManuelFalcone.pdf - Accepted Version
Available under CC-BY 4.0 International - Creative Commons, Attribution.

Download (15MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Direct Numerical Simulations of Reactive Transport Processes at Single Bubbles
Language: English
Abstract:

Reactive mass transfer processes are found in many chemical engineering applications. Though these phenomena have been object of investigation for long time already, a complete understanding of the physico-chemical mechanisms involved has not been achieved yet. More detailed insights about these processes, in particular the local interplay between the two-phase hydrodynamics, mass transfer and chemical reactions, have been obtained in recent years by means of Direct Numerical Simulations. However, this type of simulation is nowadays still computationally demanding. Being the concentration boundary layers at bubble interfaces remarkably thinner than the velocity boundary layer, an accurate solution of the species concentration transport equations requires a numerical resolution significantly higher than that needed for the two-phase hydrodynamics. Two different numerical techniques have been developed in this work with the aim of alleviating the multiscale issue. In both the cases, the hydrodynamic problem is tackled by means of an Arbitrary Lagrangian-Eulerian Interface-Tracking method. Instead, they differ regarding the treatment of the mass transfer. The former technique relies on the so-called Radial Basis Functions by which a finite-difference method on unstructered sets of points is formulated. The latter employs a finite-volume discretisation on a mesh obtained from a specialised refinement of the grid used for the two-phase hydrodynamics. In the present research, a systematic analysis of the reactive mass transfer from single rising bubbles with significant interface deformations, i.e. technically relevant diameters, has been carried out by means of 3D Direct Numerical Simulations. Two distinct reaction prototypes representative of many applications have been considered. Simulations from slow to fast reaction intensities allowed to assess the influence of different chemical time scales on these processes. Additionally, the impact of low to moderate dissolving species diffusivities has been investigated. The last part of the study has been dedicated to the comparison of the simulation results with the predictions of the film theory.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Reaktive Stofftransportprozesse kommen in vielen Anwendungen der Chemietechnik vor. Obwohl diese Phänomene schon seit langem Gegenstand zahlreicher Untersuchungen sind, wurde ein vollständiges Verständnis der physico-chemischen Mechanismen bisher noch nicht erreicht. Detaillierte Erkenntnisse über diese Prozesse, insbesondere das lokale Zusammenspiel zwischen der zweiphasigen Hydrodynamik, dem Stofftransport und den chemischen Reaktionen, wurden in den letzten Jahren mittels Direkter Numerischer Simulationen gewonnen. Diese Art der Simulation ist heutzutage noch rechenintensiv. Da die Konzentrationsgrenzschichten an Blasengrenzflächen beachtlich dünner sind als die Geschwindigkeitsgrenzschicht, erfordert eine genaue Lösung der Spezieskonzentrationstransportgleichungen eine deutlich höhere numerische Auflösung als für die Zweiphasenhydrodynamik. Zwei unterschiedliche numerische Techniken wurden in dieser Arbeit mit dem Ziel der Linderung des Mehrskalenproblems entwickelt. In beiden Fällen wird das hydrodynamische Problem mittels einer Arbitrary Lagrangian-Eulerian Interface-Tracking-Methode angegangen, jedoch unterscheiden sich die Verfahren in der Behandlung des Stofftransportes. Der erstgenannte Ansatz basiert auf den sogenannten Radial Basis Functions, mit denen eine Finite-Differenzen-Methode für unstrukturierte Punktmengen formuliert wird. Letzterer verwendet das Finite-Volumen-Verfahren auf einem Gitter, das durch eine spezalisierte Verfeinerung des Netzes, welches für die zweiphasige Hydrodynamik verwendet wird, erhalten wird. In der vorliegenden Arbeit wurde eine systematische Analyse von reaktiven Stoffaustauschprozessen aus einzelnen aufsteigenden Blasen mit signifikanten Grenzflächenverformungen, d.h. relevanten technischen Durchmessern, mittels 3D Direkten Numerischen Simulationen durchgeführt. Zwei unterschiedliche prototypische Reaktionen wurden berücksichtigt. Simulationen von langsamen zu schnellen Reaktionsintensitäten erlaubten die Beurteilung des Einflusses verschiedener chemischer Zeitskalen auf diese Prozesse. Zusätzlich wurde der Einfluss von niedrigen bis moderaten Diffusionskoeffizienten der Übergangsspezies untersucht. Der letzte Teil der Arbeit wurde dem Vergleich der Simulationsergebnisse mit den Vorhersagen der Filmtheorie gewidmet.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
Date Deposited: 11 Apr 2019 09:05
Last Modified: 11 Apr 2019 09:05
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-86236
Referees: Bothe, Prof. Dr. Dieter and Schäfer, Prof. Dr. Michael
Refereed: 11 December 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8623
Export:
Actions (login required)
View Item View Item