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Development and validation of a gas-liquid two-phase model for industrial computational fluid dynamics applications

Entwicklung und Validierung eines Gas-Flüssigkeit-Zweiphasenmodell für industrielle numerische Strömungssimulationen

  • A local algebraic simulation model was developed, to determine the characteristic length scales for dispersed phases. This model includes the Ishii- Zuber drag model, the lift, the wall lubrication force and the turbulent dispersion force as well. It is based on the Algebraic Interface Area Density (AIAD) model from the Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR), which provides the morphology detection and the free surface drag model. The developed model is in agreement with the current state of knowledge based on an examination of the theory and of state of science models for interface momentum transfer. This new simulation model was tested on three different experiments. Two experiments can be found in the literature, the Fabre 1987 and the Hewitt 1987 experiment. And the third simulation is based on a steam drum experiment. This steam drum experiment is designed with ERK Eckrohrkessel GmbH internals and was developed to examine the droplet mass flow out of the turbulent separation stage. The implementation of all models andA local algebraic simulation model was developed, to determine the characteristic length scales for dispersed phases. This model includes the Ishii- Zuber drag model, the lift, the wall lubrication force and the turbulent dispersion force as well. It is based on the Algebraic Interface Area Density (AIAD) model from the Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR), which provides the morphology detection and the free surface drag model. The developed model is in agreement with the current state of knowledge based on an examination of the theory and of state of science models for interface momentum transfer. This new simulation model was tested on three different experiments. Two experiments can be found in the literature, the Fabre 1987 and the Hewitt 1987 experiment. And the third simulation is based on a steam drum experiment. This steam drum experiment is designed with ERK Eckrohrkessel GmbH internals and was developed to examine the droplet mass flow out of the turbulent separation stage. The implementation of all models and tests was performed using Ansys CFX. The first analysis was carried out to reproduce a wavy stratified flow to examine the effects of different simulation model set-ups according to the velocity and kinetic energy profiles, as well as the pressure drop gradient and the water level measured by Fabre 1987. The second analysis was a proof on concept for reproducing the vertical flow pattern by an experiment from Hewitt 1987. The third simulation analysed the water distribution in the steam drum and feeding pipes system as well as the droplet carryover into the gas phase in the turbulent separation region of the drum. These simulations have shown, that the accuracy of the particle distribution model in interaction with the drag and non-drag forces is able to reproduce horizontal and vertical flow patterns. Higher deviations are recognised for the liquid volume fraction close above the interface. Generally, simulations can now be performed to optimise industrial steam drum designs.show moreshow less
  • Ein algebraisches Simulationsmodell, basierend auf lokalen Variablen, wurde entwickelt, zur Berechnung von charakteristischen Längen von dispersen Phasen. Dieses Modell beinhaltet das Ishii-Zuber Widerstandsmodell, die „lift“, die „wall lubrication“ und die „turbulent dispersion“ Kraft. Das Modell baut auf das „Algebraic Interface Area Density“ (AIAD) Modell, vom Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR) auf, welches die Detektion der Morphologie der Strömung und das Widerstandsmodell der freien Oberfläche bereitstellt. Das entwickelte Modell basiert auf dem Stand der Technik, auf die Begutachtung der Theorie und auf Modelle für den Impulstransport an der Phasengrenzfläche, die Stand der Wissenschaft sind. Auf drei verschiedenen Experimenten wurde das Simulationsmodell angewendet. Die Experimente von Fabre 1987 und Hewitt 1987 wurden aus der Literatur entnommen. Das dritte Experiment war eine Dampftrommel, die entwickelt wurde, um den Tröpfenmassenstrom zu ermitteln, der aus der turbulenten Abscheidungszone mitgerissen wurde.Ein algebraisches Simulationsmodell, basierend auf lokalen Variablen, wurde entwickelt, zur Berechnung von charakteristischen Längen von dispersen Phasen. Dieses Modell beinhaltet das Ishii-Zuber Widerstandsmodell, die „lift“, die „wall lubrication“ und die „turbulent dispersion“ Kraft. Das Modell baut auf das „Algebraic Interface Area Density“ (AIAD) Modell, vom Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR) auf, welches die Detektion der Morphologie der Strömung und das Widerstandsmodell der freien Oberfläche bereitstellt. Das entwickelte Modell basiert auf dem Stand der Technik, auf die Begutachtung der Theorie und auf Modelle für den Impulstransport an der Phasengrenzfläche, die Stand der Wissenschaft sind. Auf drei verschiedenen Experimenten wurde das Simulationsmodell angewendet. Die Experimente von Fabre 1987 und Hewitt 1987 wurden aus der Literatur entnommen. Das dritte Experiment war eine Dampftrommel, die entwickelt wurde, um den Tröpfenmassenstrom zu ermitteln, der aus der turbulenten Abscheidungszone mitgerissen wurde. Diese Dampftrommel basiert auf ein Design von ERK Eckrohrkessel GmbH. Die Implementierung und Erprobung wurde mit Ansys CFX durchgeführt. In der ersten Analyse sollte der Einfluss der verschiedenen Modelle auf das Geschwindigkeits-, das kinetische Energieprofil, den Druckgradienten und die Höhe der Phasengrenzfläche bezüglich einer Wellenströmung im Fabre 1987 Experimente untersucht werden. Die zweite Analyse war ein Machbarkeitsnachweis bezüglich eines vertikalen Zweiphasenströmung-Experimentes von Hewitt 1987. In einer dritten Analyse wurde die Wasserverteilung in einer Dampftrommel und den Zulaufrohren, sowie der mitgerissene Massenstrom an Tröpfchen aus der turbulenten Abscheidungszone, untersucht. Diese Simulationen haben gezeigt, dass die Genauigkeit des Partikelverteilungsmodells, den „drag“ und „non-drag“ Kräften ausreicht, um horizontale und vertikale Strömungsformen zu reproduzieren. Bei der Phasenverteilung über der Phasengrenzfläche sind größere Abweichungen zu erkennen. Generell eignet sich das Simulationsmodell, um eine Optimierung von Dampftrommeln jetzt durchzuführen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Mario Nowitzki
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-54130
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-5413
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Fabian Mauß
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2021
Date of final exam:2020/11/10
Release Date:2021/02/24
Tag:AIAD; Euler-Euler; Eötvös Zahl; Partikelverteilung; Zweiphasenströmung
CFD; Particle interaction; Steam drum; Turbulence damping; Two-phase flow
GND Keyword:Grenzfläche; Impulsübertragung; Zweiphasenströmung; Numerische Strömungssimulation
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Thermodynamik / Thermische Verfahrenstechnik
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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