Numerical Investigation of the Influence of Particle--Particle and Particle--Wall Collisions in Turbulent Wall--Bounded Flows at High Mass Loadings

Numerische Untersuchung des Einflusses der Partikel-Partikel und der Partikel-Wand Kollisionen in turbulenten wandgebundenen Strömungen mit hohen Massenbeladungen

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-30772
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Institut für Mechanik
Fakultät: Fakultät Maschinenbau
Hauptberichter: Prof. Michael Breuer
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 16.05.2014
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum:
SWD-Schlagwörter: -
Freie Schlagwörter (Deutsch): partikelbeladene turbulente Strömungen , Wandrauigkeit , Partikelkollisionen , Large--Eddy Simulation
Freie Schlagwörter (Englisch): particleladen turbulent flows , wall roughness , particle--particle collisions , large-eddy simulations
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften

Kurzfassung auf Englisch:

The present work deals with the simulation of turbulent particle--laden flows at high mass loadings. In order to achieve this goal, the fluid flow is described by means of the eddy--resolving concept known as Large--Eddy Simulation (LES) and the particles are described in a Lagrangian frame of reference. Special emphasis is placed on the inter--particle collisions and the impact of solid particles on rough walls. Both mechanisms are shown to be crucial for the correct description of the particle dynamics in wall--bounded flows. In order to distinguish the present methodology from the variety of methods available in the literature to treat turbulent flows laden with solid particles, the thesis starts with an overview of different simulation techniques to calculate this class of flows. In this overview special care is taken to underline the parameter space, where the different simulation methods are valid. After that, the governing equations and the boundary conditions applied for the continuous phase of the Euler--Lagrange approach used in the present thesis are given. In the subsequent section the governing equations for the solid particles and their interaction with smooth and rough walls are discussed. Here a new wall roughness model for the particles which incorporates an amplitude parameter used in technical applications such as the mean roughness height or the root--mean--squared roughness is presented. After that, the coupling mechanisms between the phases and the algorithmic realization are discussed. Furthermore, a new agglomeration model capable to treat inter--particle collisions with friction is presented. However, the agglomeration model is not evaluated in such a detail as the inter--particle collisions and the particle--wall collisions. The reason is that it does not represent a central aspect of this thesis. The numerical methods for the continuous and the disperse phase are presented in the subsequent section. The efficient algorithm to detect the inter--particle collisions is described in detail. With this efficient algorithm it is possible to detect the inter--particle collisions with computational costs which scale linearly with the number of particles present in the computational domain. The resulting methodology is validated based on a variety of test cases. The validation process starts with two turbulent channel flows at different Reynolds numbers and one turbulent pipe flow. Using this simple test cases possible error sources can be detected easily. After that, a turbulent pipe flow is simulated, where the gravity points vertical to the mean streamwise direction. The appearance of an interesting secondary flow of second kind, for which the particles are only indirectly responsible, is analyzed in detail. In order to demonstrate the applicability of the present methodology in practically relevant turbulent flow configurations, the particle--laden cold flow in a combustion chamber model and the flow in a cyclone separator are tackled. The results are discussed in detail, compared with experimental reference data and interpreted from a physical point of view. Regarding the combustion chamber model, good agreement is found with the reference experiment. Furthermore, it is shown that the present methodology is capable to reproduce in the high mass loading case the disappearance of two stagnation points present on the axis of the low mass loading configuration. Regarding the cyclone separator flow, in the core region still some differences with the reference experiment remain.

Kurzfassung auf Deutsch:

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation von turbulenten partikelbeladenen Strömungen bei hoher Massenbeladung. Dabei wird die kontinuierliche Phase mittels des wirbelauflösenden Verfahrens bekannt als Large--Eddy Simulation (LES) und die diskrete Phase durch eine Lagrangesche Betrachtungsweise beschrieben. Hauptaugenmerk wird auf die Kollisionen zwischen den Partikeln und die Kollisionen der Partikel mit rauen Wänden gelegt. Beide Vorgänge sind entscheidend, um die Bewegung der Partikel in wandgebundenen Strömung korrekt wiederzugeben. Um die hier beschriebene Vorgehensweise von der Vielzahl an Methoden abzugrenzen, welche in der Literatur zur Verfügung stehen, um turbulente Strömungen beladen mit festen Partikel zu simulieren, startet die hier vorliegende Arbeit mit einem Literaturüberblick der gängigen Verfahren zur Simulation von Gas--Feststoff--Strömungen. In diesem Überblick wird versucht, den Parameterraum abzugrenzen, in welchen die einzelnen Verfahren gültig sind. Danach werden die Bewegungsgleichungen und die Randbedingungen der kontinuierlichen Phase für das eingesetze Euler--Lagrange--Verfahren beschrieben. Im darauffolgen Kapitel werden die Bewegungsgleichungen für die Partikel und deren Wechselwirkung mit glatten und rauen Wänden behandelt. Ein neues Wandmodel, welches nur einen gängigen Rauigkeitsparameter wie die mittlere Rauigkeit oder die mittlere quadratische Rauigkeit beinhaltet, wird erstmals vorgestellt. Es folgt die Beschreibung der Kopplungsmechanismen zwischen den Phasen und deren algorithmische Umsetzung. Außerdem wird ein neues Agglomerationsmodell vorgestellt, welches für reibungsbehaftete Stöße gültig ist. Allerdings wird dieses nicht im gleichen Umfang wie die Partikel--Partikel--Kollisionen und die Partikel Wand Kollisionen ausgewertet. Grund hierfür ist, dass das Agglomerationsmodell nicht einen zentralen Aspekt dieser Arbeit darstellt. Die numerischen Methoden für die kontinuierliche und die diskrete Phase werden im darauffolgenden Kapitel beschrieben. Der schnelle Algorithmus, um die Kollisionen zwischen den Partikeln möglichst effizient zu behandeln, wird im Detail dargestellt. Damit ist es möglich Kollisionen zwischen den Partikeln mit einem Aufwand zu entdecken, der nur linear mit der Anzahl der Partikel skaliert. Die entstandene Methode wird anhand einer Vielzahl von Testfällen sorgfältig validiert. Die Validierung startet mit zwei turbulenten Kanalströmungen mit unterschiedlichen Reynoldszahlen und einer turbulenten Rohrströmung. Anhand dieser einfachen Testfällen können mögliche Fehlerquellen leichter gefunden werden. Danach wird die Strömung in einem Rohr simuliert, in dem die Schwerkraft senkrecht zur Hauptströmungsrichtung wirkt. Die Ursache einer interessanten Sekundärströmung zweiter Art, die nur indirekt durch die Wirkung der Partikel auf die kontinuierlich Phase entsteht, wird im Detail analysiert. Um die Anwendung der hier beschriebenen Methode auch auf praxisrelevante Strömungen zu demonstrieren, wird die kalte partikelbeladene Strömung in einer Modellbrennkammer und die partikelbeladene Strömung in einem Gaszyklon demonstriert. Die Ergebnisse werden ausführlich diskutiert, mit experimentellen Referenzdaten verglichen und physikalisch interpretiert. Bezüglich der kalten Strömung in dem Brennkammermodel, konnte eine gute Übereinstimmung mit dem Referenzexperiment gefunden werden. Außerdem kann gezeigt werden, dass es möglich ist, in der Konfiguration mit einer hohen Massenbeladung das Verschwinden der zwei Staupunkte auf der Aches, die im Fall der niedrigen Massenbeladung vorhanden sind, korrekt wiederzugeben. Bezüglich der Strömung in einem Gaszyklon, sind noch einige Unterschiede im Kernbereich zwischen Simulation und Experiment vorhanden.

Hinweis zum Urheberrecht

Für Dokumente, die in elektronischer Form über Datenenetze angeboten werden, gilt uneingeschränkt das Urheberrechtsgesetz (UrhG). Insbesondere gilt:

Einzelne Vervielfältigungen, z.B. Kopien und Ausdrucke, dürfen nur zum privaten und sonstigen eigenen Gebrauch angefertigt werden (Paragraph 53 Urheberrecht). Die Herstellung und Verbreitung von weiteren Reproduktionen ist nur mit ausdrücklicher Genehmigung des Urhebers gestattet.

Der Benutzer ist für die Einhaltung der Rechtsvorschriften selbst verantwortlich und kann bei Mißbrauch haftbar gemacht werden.