Model development of turbulent multiphase flows by direct particle-fluid simulations

Fröhlich, Konstantin; Hasse, Christian; Schröder, Wolfgang

doi:HT021570221

Model development of turbulent multiphase flows by direct particle-fluid simulations = Modellentwicklung von turbulenten Mehrphasenströmungen anhand direkter Partikel-Fluid-Simulationen

Fröhlich, Konstantin^RWTH*

2022

VerantwortlichkeitsangabeKonstantin Fröhlich

Ausgabe1. Auflage

ImpressumMünchen : Dr. Hut 2022

Umfangxvii, 106 Seiten : Illustrationen, Diagramme

ISBN3-8439-5122-5, 978-3-8439-5122-7

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Englische und deutsche Zusammenfassung

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schröder, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Hasse, Christian (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-12-10

Online
URL: http://deposit.dnb.de/cgi-bin/dokserv?id=c7f77df0ecee4c8d8fb65faacb372a39&prov=M&dok_var=1&dok_ext=htm
URL: http://www.dr.hut-verlag.de/978-3-8439-5122-7.html

Einrichtungen

Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamisches Institut (415110)

Projekte

DFG project 215035359 - TRR 129: Oxyflame - Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre (215035359) (215035359)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Grobstruktursimulation (frei) ; Mehrphasenströmungen (frei) ; direct numerical simulation (frei) ; direkte numerische Simulation (frei) ; large-eddy simulation (frei) ; multiphase flow (frei) ; turbulent flows (frei) ; turbulente Strömungen (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Simulation von Biomasseverbrennung ist abhängig von präzisen Modellen zur Bestimmung der hydrodynamischen Wechselwirkung zwischen den festen Brennstoffpartikeln und der turbulenten Strömung. Da eine vollständige Auflösung aller Partikel- und Fluidskalen die verfügbaren Rechenressourcen bei weitem übersteigt, sind moderne Grobstruktursimulationen (LES) von Biomasseverbrennungskammern abhängig von genauen Lagrangeschen Punktpartikelmodellen für die feste Phase. Die Partikeldynamik wird auf Basis von Bewegungsgleichungen bestimmt, die unter Annahme vereinfachter Strömungsbedingungen hergeleitet werden. Die Rückwirkung der Partikel auf das Strömungsfeld wird dabei in die Erhaltungsgleichungen der Fluidphase nach dem Wechselwirkungsprinzip einbezogen. Obwohl das Punktpartikelmodell der vielversprechendste Ansatz ist, um eine signifikante Anzahl von Partikeln zu simulieren, ist es auf wesentlich kleinere Partikelgrößen beschränkt, als für Biomassepartikel erforderlich ist. 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 Referenzsimulationen validiert. Für eine sphärische Partikelform liefert das Punktpartikelmodell eine vielversprechende Genauigkeit für Partikelgrößen in der Größenordnung der kleinsten turbulenten Längenskalen. Die Partikeldynamik wird genau vorhergesagt, wenn das Punktpartikelmodell in einer LES angewendet wird, deren subskalige kinetische Energie vernachlässigbar klein ist. Das Feinstrukturmodell wird nicht durch die Rückwirkung der Partikel auf die turbulente Strömung beeinträchtigt. Im Gegensatz zu sphärischen Partikeln wird die Dynamik ellipsoider Partikel durch das übliche ellipsoide 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. Um den Einfluss der Trägheitseffekte des Fluids zu untersuchen, werden die Korrelationen in das Punktpartikelmodell für Ellipsoide eingebaut. Die entsprechenden Ergebnisse mit und ohne Korrelationen werden für den Fall von absinkenden Ellipsoiden in isotroper Turbulenz direkt verglichen. Für zunehmende Sinkgeschwindigkeiten dominiert das Nickmoment aufgrund der Fluidträgheit den Beitrag des viskosen Drehmoments, der durch die Fluidgeschwindigkeitsgradienten aufgeprägt wird. Daher haben die Korrelationen 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.

The simulation of biomass combustion depends on accurate models to predict the hydrodynamic interaction between the solid fuel particles and the turbulent flow field. Since a full resolution of all particle and fluid scales exceeds by far the available computational resources, modern large-eddy simulations (LES) of biomass combustion chambers rely on Lagrangian point-particle models for the solid phase. The particles are tracked using equations of motion derived under simplified flow conditions, and the feedback of the particles on the flow field is included in the conservation equations of the fluid in an action-reaction sense. Although the point-particle model is the most promising approach to simulate a significant number of particles, it is restricted to substantially smaller particle sizes than required for biomass combustion. Additionally to the stochastic nature of the fluid and the dispersed phase, and the mutual interaction of numerous length and time scales, suspensions in turbulent flows are characterized by a huge parameter space. The ellipsoidal shape of the biomass particles further enhances this complexity. The validation of point-particle models and their extensions are the goals of this thesis. Efficient large-scale direct particle-fluid simulations are conducted, which are based on locally refined Cartesian meshes where the fluid-solid interface is sharply described via cut cells. The interaction of tens of thousands spherical and non-spherical particles with isotropic turbulence serves as a generic reference case, where all scales are fully resolved. Existing point-particle models are validated against these benchmark simulations. For a spherical shape, the point-particle model yields a promising accuracy for particle sizes of the order of the smallest turbulent length scales. The particle dynamics are accurately predicted if the point-particle model is applied in an LES with negligible subgrid kinetic energy. The feedback of the dispersed phase on the turbulent flow does not interfere with the subgrid scale model. In contrast to spherical particles, the standard ellipsoidal point-particle model fails to predict the dynamics of ellipsoidal particles, where fluid inertia effects are neglected. A large parameter study is performed to analyze the uniform flow past fixed inclined ellipsoids for various aspect ratios in the relevant Reynolds number range. The flow topology is studied in detail and the data base is used to derive correlations for drag, lift, and torque. To analyze the impact of fluid inertia effects, the correlations are included in the ellipsoidal point-particle model, and the results with and without correlations are directly compared for the case of settling ellipsoids in isotropic turbulence. For increasing terminal velocities, the pitching torque due to fluid inertia dominates the viscous torque contribution due to the fluid velocity gradients. Thus, the correlations have a substantial impact on the particle orientation and their dynamics. Even for low particle Reynolds numbers, fluid inertia effects should not be neglected in the ellipsoidal Lagrangian point-particle model.

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