Modeling and Simulation of Particle Agglomeration, Droplet Coalescence and Particle-Wall Adhesion in Turbulent Multiphase Flows

Modellierung und Simulation der Partikelagglomeration, Tropfenkoaleszenz und Partikel-Wand-Adhäsion in turbulenten Mehrphasenströmungen

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-31850
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Institut für Mechanik
Fakultät: Fakultät Maschinenbau
Hauptberichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Breuer
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 09.02.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum:
SWD-Schlagwörter:
Freie Schlagwörter (Deutsch): Mehrphasenströmungen, Partikelagglomeration, Tropfenkoaleszenz, Partikel-Wand-Adhäsion, Large-Eddy Simulation
Freie Schlagwörter (Englisch): Multiphase Flows, Particle Agglomeration, Droplet Coalescence, Particle-Wall Adhesion, Large-Eddy Simulation
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften

Kurzfassung auf Englisch:

This dissertation is concerned with the development of modern concepts for the modeling, the simulation and the physical analysis of the dynamic process of (i) particle agglomeration, (ii) droplet coalescence and (iii) particle-wall adhesion in turbulent disperse multiphase flows. For this purpose, different models are developed to allow the simulation of these three phenomena within the framework of a four-way coupled Euler-Lagrange approach for highly-laden two-phase flows in combination with a deterministic collision detection model. The results of the new approaches developed within the context of a hard-sphere model are validated in fully three-dimensional particle-laden turbulent flows using experiments, empirical correlations and other numerical results. The second focus of the present thesis is on the physical analysis and interpretation of the simulation results, which are achieved within the framework of LES. As a first topic, two different models are developed to simulate the agglomeration of rigid, dry and electrostatically neutral particles owing to particle-particle collisions with cohesion. These agglomeration approaches rely either on an energy-based model (EAM) or on a momentum-based model (MAM). In this study the energy-based agglomeration model by Alletto (2014) is further improved concerning the post-collision treatment of the collision partners without agglomeration and the agglomeration conditions. Afterwards, the momentum-based model by Kosinski and Hoffmann (2010) is corrected and further extended by considering the dissipative force during the collision for the prediction of the impact time required for the determination of the cohesive impulse. Thus, the new MAM takes into account the effect of the restitution coefficient on the impact time. Besides the classical volume-equivalent sphere model, three new conceptual models are introduced to allow a more realistic description of the agglomerate structure. These are (i) the inertia-equivalent sphere model, (ii) the closely-packed sphere model and (iii) the porous sphere model. The enhanced agglomeration approaches are successfully validated in a shear flow using a theoretical model. It is concluded that MAM is superior to EAM due to the reduced necessity of empirical parameters and the slightly more accurate results. Then, EAM and MAM together with the structure models are used to study in great detail the agglomeration in various test cases. The focus of the second work package is on the coalescence of surface-tension dominated droplets in a gaseous environment. Here, a composite collision outcome model is developed to identify the outcome of a binary collision of such droplets. In this model four regimes of droplet-droplet collisions (i.e., bouncing, fast coalescence, reflexive and stretching separation) are taken into account. Here, the outcome of a binary collision can be identified based on the collision Weber number and a dimensionless impact parameter. The bounding curves between these regimes can be taken from experiments as a function of the droplet size ratio. The composite model is first verified in a simplified test case of two crossing water sprays. Afterwards, the model is used to simulate the injection process of a solid-cone non-evaporating diesel spray into a quiescent nitrogen environment and validated based on experimental data. In this set-up the primary atomization of the fuel at the nozzle exit is modeled based on different correlations for the droplet size distribution. The secondary break-up and the evaporation of the droplets are neglected. The results show that the neglect of coalescence leads to smaller diameters in the drop size distribution. Thus, the calculated penetration depth noticeably deviates from the experimental data. Taking the adhesion during a particle-wall collision into account, it may lead under certain conditions to the deposition of the particle on bounding walls. Therefore, the aim of the third work package is to develop a suitable methodology for modeling the adhesion between rigid, dry electrostatically neutral particles and smooth or rough walls. The derivation of this model is based on the corresponding momentum-based agglomeration model developed. The new model reveals a significant advantage compared with the state-of-the-art models due to a more reasonable determination of the adhesive impulse. To examine the effect of the particle-wall adhesion, the developed model is first evaluated using a simple test case. Then, the adhesion model is validated based on a horizontal turbulent channel flow against existing experimental data and numerical results of an energy-based deposition model as well as a common empirical correlation. Afterwards, the effect of different simulation parameters on the particle-wall adhesion in various test cases is studied. It is concluded that that the application of such an enhanced adhesion model is urgently required for complex geometries.

Kurzfassung auf Deutsch:

Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung moderner Methoden zur Modellierung, Simulation und Analyse des dynamischen Prozesses (i) der Partikelagglomeration, (ii) der Tropfenkoaleszenz und (iii) der Partikel-Wand-Adhäsion in turbulenten dispersen Mehrphasenströmungen. Dazu werden unterschiedliche Modelle entwickelt, welche die Simulation dieser Phänomene im Rahmen eines Vierwege-Euler-Lagrange-Ansatzes für hochbeladene Zweiphasenströmungen in Kombination mit einem deterministischen Kollisionsmodell ermöglichen. Die Ergebnisse der im Rahmen eines Hard-Sphere-Models entwickelten Ansätze werden in dreidimensionalen partikelbeladenen Strömungen anhand von Experimenten und empirischen Korrelationen validiert sowie mit anderen numerischen Ergebnissen verglichen. Der zweite Schwerpunkt dieser Dissertation liegt auf der physikalischen Analyse und Interpretation der Ergebnisse, welche im Rahmen einer LES erzielt werden. Als erstes werden zwei Modelle zur Simulation der Agglomeration von trockenen, elektrostatisch neutralen Partikeln infolge von Partikel-Partikel-Kollisionen mit Kohäsion entwickelt. Diese Agglomerationsmodelle beruhen entweder auf einem energiebasierten Modell (EAM) oder einem impulsbasierten Modell (MAM). Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst die Beschreibung der Stoßpartner nach der Kollision und die Agglomerationsbedingungen des energiebasierten Modells von Alletto (2014) verbessert. Als nächstes wird das impulsbasierte Modell von Kosinski and Hoffmann (2010) korrigiert und weiterentwickelt, indem für die Bestimmung der Kollisionszeit die dissipative Kraft während der Kollision in Betracht gezogen wird. Darüber hinaus werden neben dem klassischen Volume-equivalent Sphere Model drei weitere Strukturmodelle eingeführt, welche eine realistischere Beschreibung der Struktur des Agglomerates ermöglichen. Diese sind (i) das Inertia-equivalent Sphere Model, (ii) das Closely-packed Sphere Model und (iii) das Porous Sphere Model. Die neuen Ansätze werden erfolgreich in einer Scherströmung anhand eines theoretischen Modells validiert. Dabei wird festgestellt, dass das MAM zu genaueren Berechnungen als das EAM führt. Ferner wird das EAM und das MAM zusammen mit den Strukturmodellen in verschiedenen Testfällen analysiert. Der Schwerpunkt des zweiten Arbeitspakets liegt auf der Entwicklung eines zusammengesetzten Modells zur Simulation der Koaleszenz von oberflächenspannungsdominierten Tropfen in einer gasförmigen Umgebung. In Rahmen dieses Modells werden die aufgrund von binären Tropfen-Tropfen-Kollisionen resultierenden Regime (Abprall, Koaleszenz und reflexive sowie dehnende Trennung) berücksichtigt, welche sich anhand der Weber-Zahl und eines dimensionslosen Stoß-Parameters identifiziert lassen. Die Grenzkurven zwischen diesen Regimen können aus Experimenten als Funktion des Tropfengrößenverhältnisses entnommen werden. Die Implementierung des neuen Ansatzes wird zunächst mittels eines vereinfachten Testfalls von zwei sich kreuzenden Wasserstrahlen überprüft. Anschließend wird das zusammengesetzte Modell zur Simulation des Einspritzvorganges von nicht-verdampfenden Dieseltropfen aus einer solid-cone Düse in eine ruhende Stickstoffumgebung eingesetzt und anhand der experimentellen Messungen validiert. In dieser Anordnung wird die Primärzerstäubung des Kraftstoffs mittels verschiedener Ansätze modelliert. Ferner werden der Sekundärzerfall sowie die Verdampfung der Tropfen vernachlässigt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Vernachlässigung der Koaleszenz zu kleineren Durchmessern in der Tropfengrößenverteilung führt. Folglich weicht auch die berechnete Eindringtiefe von den experimentellen Messungen deutlich ab. Die Berücksichtigung der Adhäsion während einer Partikel-Wand-Kollision kann unter bestimmten Bedingungen zur Ablagerung des Partikels an der Begrenzungswand führen. Das Ziel des dritten Arbeitspakets ist es daher, eine geeignete Methodik zur Modellierung der Adhäsion von trockenen, elektrostatisch neutralen Partikeln an glatten sowie rauen Wänden zu erarbeiten. Die Herleitung dieses Modells basiert auf dem zugehörigen impulsbasierten Agglomerationsmodell. Im Vergleich zu anderen modernen Modellen zeichnet sich das neue Modell durch eine realistischere Bestimmung des Adhäsionsimpulses aus. Das neue Adhäsionsmodell wird mit vereinfachten Testfällen erprobt, um den Einfluss der Adhäsion während einer Kollision darzustellen. Anschließend werden Simulationen mit dem neuen Modell in einer partikelbeladenen, turbulenten Kanalströmung durchgeführt und anhand von Experimenten validiert sowie mit Ergebnissen eines energiebasierten Ablagerungsmodells und einer empirischen Korrelation verglichen. Danach wird der Einfluss von Simulationsparameter auf die Partikelablagerung in verschiedenen Testfällen untersucht. Dabei wird festgestellt, dass die Anwendung eines solchen Adhäsionsmodells bei komplexen Geometrien erforderlich ist.

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