Direct particle-fluid simulations of isothermal and non-isothermal turbulent flows

Kiwitt, Thede Peter; Schröder, Wolfgang; Kneer, Reinhold

doi:HT031322262

Direct particle-fluid simulations of isothermal and non-isothermal turbulent flows = Direkte Partikel-Fluid-Simulationen von isothermen und nicht-isothermen turbulenten Strömungen

Kiwitt, Thede Peter^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Thede Peter Kiwitt

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schröder, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Kneer, Reinhold (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-07

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-09382
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1020989/files/1020989.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Aerodynamisches Institut (415110)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Wechselwirkung zwischen Partikeln und dem Trägerfluid in Mehrphasenströmungen ist in verschiedenen Anwendungsfällen von elementarer Bedeutung. Dies umfasst beispielsweise natürliche Phänomene wie Vulkanausbrüche oder auch technische Systeme wie industrielle Verbrennungsanlagen. Im letzteren Kontext fungieren die Partikel als Energieträger die ihre gespeicherte Energie während des Verbrennungsprozesses zur weiteren Nutzung freisetzen. Angesichts des negativen Umwelteinflusses fossiler Brennstoffe wird intensiv daran gearbeitet, auf nachhaltige Alternativen wie Biomasse umzusteigen. Im Gegensatz zu Kohlepartikeln, die überwiegend sphärisch sind, weisen Biomassepartikel häufig elliptische Formen auf. Diese anisotropische Geometrie führt zu unterschiedlichen aerodynamischen Wechselwirkungen, die den Verbrennungsprozess beeinflussen. Trotz der hohen Relevanz vollständig aufgelöster Simulationen sind umfassende Studien im Hinblick auf nicht-spärische Partikel in der wissenschaftlichen Literatur selten. Die komplexen Dynamiken und die hohen rechnerischen Ressourcen stellen signifikante Herausforderungen bei der Berechnung dar, sodass häufig Ersatzmodelle mit reduzierter Genauigkeit verwendet werden. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, diese Lücke zu schließen, indem vollständig aufgelöste Simulationen elliptischer partikelbeladener Strömungen innerhalb einer Rohrströmung und einem Freistrahl untersucht werden. Es werden die Turbulenzdynamiken, die Wechselwirkungen zwischen Partikeln und Strömung, sowie der Einfluss der Partikeleigenschaften auf die Strömungsgeometrie untersucht. Die numerische Analyse verwendet ein Finite-Volumen-Verfahren mit einer Level-Set/Cut-Cell-Methode, um sicherzustellen, dass alle Geometrien vollständig aufgelöst sind und der Erhalt von Masse, Impuls, und Energie gewährleistet ist. Dies ermöglicht die präzise Quantifizierung der Oberflächenkräfte, die auf die Partikel wirken, sowie deren Wechselwirkungen mit dem umgebenden Fluid. Sowohl sphärische als auch ellipsoide Partikel werden unter turbulenten Strömungsbedingungen untersucht. Darüber hinaus werden im Kontext von Verbrennungssystemen die Temperaturunterschiede zwischen nicht-spärischen Partikeln im Seitenverhältnis $1\leq\beta\leq8$ und dem Trägerfluid analysiert. Eine Korrelationsgleichung zur Berechnung der Nusselt-Zahl wird vorgestellt. Anschließend wird ein effizientes Modell der konjugierten Wärmeübertragung präsentiert, welches die thermodynamischen Vorgänge innerhalb der Partikel erfasst. Dieses Modell berücksichtigt nicht nur das thermische Verhalten innerhalb fester Körper, sondern auch lokale Temperaturgradienten an den Oberflächen der Partikel. Abschließend wird die neue Methodik zur Bewertung der Genauigkeit von Lagrange-Punkt-Partikelmodellen verwendet welche häufig zur Simulation komplexer Partikelbeladener Systeme eingesetzt werden.

The interaction of particles with the carrier fluid in multiphase flow is of fundamental importance in various applications. This includes, for example, natural phenomena such as volcanic eruptions or technical systems such as industrial combustion plants. In the latter context, the particles serve as energy carriers releasing their chemically stored energy during the combustion process for further usage. Due to the negative environmental impact of fossil fuels, intensive efforts are being made to switch to sustainable alternatives such as biomass. In contrast to coal particles, which are predominantly spherical, biomass particles often have elliptical shapes. This anisotropic geometry leads to different aerodynamic interactions which influence the combustion process. Despite the high level of detail of fully-resolved simulations, comprehensive studies regarding non-spherical particles are rare in the scientific literature. The complex dynamics and high computational costs pose significant computational challenges such that reduced models are often used in their place. The present work aims to fill this gap by investigating fully-resolved numerical simulations of particle-laden flows within pipe and free jet flow with non-spherical particles. The turbulence dynamics, the interaction between the particles and the flow field, and the influence of the particle properties on the flow geometry are investigated. The numerical analysis uses a finite volume method with a level-set/cut-cell method to ensure that all geometries are fully resolved and that mass, momentum, and energy are conserved. This allows precise quantification of the surface forces acting on the particles and their interaction with the surrounding fluid. In this work, spherical and ellipsoidal particles are investigated under turbulent flow conditions. In addition, the temperature differences between particles in the aspect ratio range $1\leq\beta\leq8$ and the carrier fluid are analyzed in the context of combustion systems. A correlation equation for the calculation of the Nusselt number is presented. Subsequently, an efficient conjugate heat transfer model is presented which captures the thermodynamic processes within solid bodies. This model considers the thermal processes within particles as well as the local temperature gradients at the surfaces of the particles. Finally, the new methodology is used to evaluate the accuracy of Lagrange point-particle models which are often used to simulate complex particle-laden systems.

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