ISBN 9783843951227

978-3-8439-5122-7, Reihe Ingenieurwissenschaften

Konstantin Fröhlich
Model Development of Turbulent Multiphase Flows by Direct Particle-Fluid Simulations

124 Seiten, Dissertation Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (2021), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Moderne Grobstruktursimulationen von Biomasseverbrennungskammern sind abhängig von präzisen Lagrangeschen Punktpartikelmodellen für die feste Phase. Zusätzlich zum stochastischen Verhalten des Fluids und der dispersen Phase, sowie der gegenseitigen Wechselwirkung zahlreicher Längen- und Zeitskalen, sind Suspensionen in turbulenten Strömungen durch einen riesigen Parameterraum geprägt. Die ellipsoide Form der Biomassepartikel erhöht diese Komplexität zusätzlich. Die Validierung von Punktpartikelmodellen und deren Erweiterung sind die Ziele dieser Arbeit.

Basierend auf lokal verfeinerten kartesischen Gittern werden effiziente direkte Partikel-Fluid Simulationen durchgeführt, bei denen die Fluid-Partikel-Randflächen mit Hilfe von Zellverschneidungen akkurat abgebildet werden. Die Wechselwirkung zehntausender sphärischer und nichtsphärischer Partikel mit isotroper Turbulenz dient als generischer Referenzfall, bei dem alle Skalen vollständig aufgelöst sind. Gängige Punktpartikelmodelle werden anhand dieser Simulationen validiert. Im Gegensatz zu sphärischen Partikeln wird die Dynamik ellipsoider Partikel durch das übliche Punktpartikelmodell fehlerhaft wiedergegeben, weil die Trägheitseffekte des Fluids nicht berücksichtigt werden.

Eine große Parameterstudie wird durchgeführt, um die uniforme Anströmung von Ellipsoiden mit festem Anstellwinkel für verschiedene Seitenverhältnisse im relevanten Reynoldszahlbereich zu analysieren. Die Strömungstopologie wird im Detail studiert und die Datenbasis wird verwendet, um Korrelationen für Widerstand, Auftrieb und Drehmoment herzuleiten. Die Korrelationen haben einen erheblichen Einfluss auf die Orientierung und Bewegung der Partikel. Selbst für niedrige Partikel-Reynoldszahlen sollten die Trägheitseffekte des Fluids im ellipsoiden Punktpartikelmodell nicht vernachlässigt werden.