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Originaltitel:
On Eulerian-Eulerian Large Eddy Simulation of Polydispersed, Reacting Spray Flows with Moment Methods
Übersetzter Titel:
Über Euler-Euler Large Eddy Simulationen von Polydispersen, Reaktiven Sprayströmungen mit Momentenmethoden
Autor:
Dems, Patrick
Jahr:
2014
Dokumenttyp:
Dissertation
Fakultät/School:
Fakultät für Maschinenwesen
Betreuer:
Polifke, Wolfgang H. (Prof., Ph.D.)
Gutachter:
Polifke, Wolfgang H. (Prof., Ph.D.); Sadiki, Amsini (Prof. Dr.)
Sprache:
en
Fachgebiet:
MTA Technische Mechanik, Technische Thermodynamik, Technische Akustik
Stichworte:
Multiphase flow, Polydispersity, Eulerian-Eulerian LES, Moment Method, Spray Combustion
Übersetzte Stichworte:
Mehrphasenströmung, Polydispersität, Euler-Euler LES, Momentenmethode, Sprayverbrennung
TU-Systematik:
MTA 600d; CIT 280d
Kurzfassung:
The present work contributes to the challenge of finding and establishing an appropriate approach for the Large Eddy Simulation of polydisperse spray flows with and without chemical reaction. First, a stochastic approach is adopted which describes the particle population with the help of a number density function (NDF) spanned over the particle phase space including particle size, velocity and temperature. It is gained from a theoretical infinite number of particle phase realisations for a given flow realisation of the gas phase. The transport equation of the NDF is then spatially filtered due to the numerical method applied and subsequently integrated over the particle phase space.

For closure of the unknown terms, which are related to the dynamics of the particles itself but also their interaction with the gas phase, a moment method is applied, which presumes a certain type of the shape of the NDF. The temporal and spatial development of the NDF is calculated by transporting up to four moments of the NDF, each with its respective moment transport velocity. The latter are determined from a relaxation time approach. An adapted Thickened-Flame Model in conjunction with a simple Arrhenius mechanism is used to model the combustion. Additionally a method is proposed for single droplet combustion, which is adapted to be applicable in the framework of the moment model.

The numerical simulations are realised with OpenFOAM. A swirling flow configuration and a particle-laden jet have been investigated. Results obtained from the polydisperse approach show improved spray dynamics and evaporation rates compared to those resulting from a monodisperse description. The applicability of the combustion model is verified, however, the simplicity of the model demonstrates the need for more sophisticated approaches and further extensive research in this field. The same is true for the particle-turbulence interaction.
Übersetzte Kurzfassung:
Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zu der Herausforderung einen geeigneten Ansatz für die Grobstruktursimulation (Large Eddy Simulation) von polydispersen Sprayströmungen mit und ohne chemische Reaktion zu finden und zu etablieren. Hierbei wird zunächst ein stochastischer Ansatz verwendet, der die Partikelpopulation mit Hilfe einer Anzahldichtefunktion (NDF) über dem Eigenschaftsraum der Partikel (Grösse, Geschwindigkeit, Temperatur) beschreibt. Diese basiert auf einer theoretisch unendlichen Anzahl von Strömungsrealisierungen der Partikel für eine gegebene Realisierung der Gasphasenströmung. Die Transportgleichung der NDF wird zunächst räumlich gefiltert um der numerischen Methode Rechnung zu tragen sowie anschliessend über den Eigenschaftsraum integriert.

Zur Schliessung der unbekannten Terme, die sowohl die Partikeldynamik selbst als auch die Wechselwirkung mit der Gasphase betreffen, wird eine Momentenmethode basierend auf einer angenommenen Form der NDF angewendet. Hierbei werden drei bis vier Momente der NDF mit individuellen Geschwindigkeiten transportiert, welche wiederum durch einen Relaxationszeitansatz bestimmt werden. Die Verbrennung wird mit einer für Zweiphasenströmungen angepassten Variante des Thickend-Flame Model sowie einem einfachen Arrheniusansatz für die Chemie beschrieben. Zusätzlich wird ein für die Momentenmethode formulierter Ansatz der Einzeltropfenverbrennung vorgeschlagen.

Die mit OpenFOAM realisierten Simulationen zeigen für den polydispersen Ansatz bessere Ergebnisse für Spraydynamik und -verdampfung im Vergleich zu monodispersen Ergebnissen. Hierbei wurde eine Drallströmung sowie ein Partikel-beladener Freistrahl untersucht. Die Anwendbarkeit für polydisperse Sprayverbrennung wird nachgewiesen; das vergleichsweise einfache Modell offenbart jedoch grossen Bedarf an fortgeschritteneren Modellen und weiterer Forschungsarbeit. Dasselbe gilt für die Thematik der Partikel-Turbulenzinteraktion.
WWW:
https://mediatum.ub.tum.de/?id=1230166
Eingereicht am:
10.09.2014
Mündliche Prüfung:
23.12.2014
Dateigröße:
12740416 bytes
Seiten:
326
Urn (Zitierfähige URL):
https://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:91-diss-20141223-1230166-1-2
Letzte Änderung:
05.11.2015
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