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Computational Fluid Dynamics
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Konzept eines verallgemeinerten CFD-Modells für Mehrphasenströmungen


Die numerische Simulation von Mehrphasenströmungen in industriellen Prozessen erfordert das Erfassen von unterschiedlichsten Strömungsregimes. Das Skalenspektrum reicht von homogen-dispersen Blasensäulen der Verfahrenstechnik bis hin zu stark separierten Gasstrukturen beim Fluidtransport in langen Rohrleitungen. Zur effizienten Modellierung solcher großer Systeme hat sich die Euler-Euler Methode durchgesetzt, welche die Verwendung gröberer Gitter ermöglicht. Eine große Zahl an Schließungsmodellen wurde bereits entwickelt, um spezielle Strömungsregimes zu beschreiben. In vielen praktischen Strömungsanwendungen treten jedoch separierte sowie polydisperse Strömungsbereiche nebeneinander auf, welche in enger Wechselwirkung zueinander stehen (siehe Abb. 1). So kann aus einer streng separierten Wasseroberfläche durch Auftreffen eines Flüssigkeitsstrahls kontinuierliches Gas mitgerissen werden und in viele verschiedene Blasengrößen zerfallen. Aus einer dispersen Blasenströmung im Rohr können sich hingegen durch Koaleszenz kontinuierliche Taylor-Blasen entwickeln. Hierbei spricht man von mehrskaligen Strömungsproblemen bezüglich der auftretenden Grenzflächenstrukturen. Sie spielen eine wesentliche Rolle in vielen verfahrenstechnischen Anwendungen, in denen hohe Gasvolumendurchsätze zur Ausbildung heterogener Blasenströmungen führen. Für die Beschreibung solcher komplexer Übergänge wurde ein allgemeines Konzept entwickelt.

Gegenwärtig erweitert das Konzept das inhomogene MUltiple SIze Group (MUSIG)-Modell durch Hinzufügen einer kontinuierlichen Gasphase, deren Phasengrenze im Rechengitter aufgelöst werden soll. Durch Einbinden geeigneter Modelle sind somit Übergänge zwischen polydispersen und kontinuierlichen Gasphasen möglich, einschließlich dem möglichen Erscheinen und Verschwinden einer Phase. Erste Beispielsimulationen demonstrieren das Prinzip des neuen Konzepts mittels des CFD-Codes CFX.


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Abb. 1:
Mehrskalige Strömungsprobleme bezüglich auftretender Grenzflächenstrukturen

Abb. 2:
Vergleich experimenteller und numerischer Ergebnisse für die ersten Sekunden nach dem Aufprall des flüssigen Jets auf der freien Oberfläche

Abb. 3:
Blasengrößenverteilung nach Erreichen eines quasistationären Zustands der Simulation


Die Simulation zum Blasenmitriss beim Auftreffen eines Wasserstrahls auf eine freie Oberfläche soll den Zerfall der kontinuierlichen Gasphase sowie den Massentransfer zur polydispersen Gasphase demonstrieren. Nachdem der flüssige Strahl aufgetroffen ist, wird Gasmasse aus der freien Oberfläche in die verschiedenen Blasengrößengruppen transportiert, welche dann eine charakteristische Blasentraube ausbilden. Der gesamte Vorgang des Aufpralls, Eindringens und dem nachfolgenden Wiederaufstieg mitgerissener Gasblasen kann mit dem neuen Ansatz wiedergegeben werden und ist in der Bildersequenz von Abb. 2 dargestellt. Die Blasengrößenverteilung innerhalb der dispersen Blasentraube in Abb. 3 stimmt mit experimentellen Daten überein.


Danksagung

Diese Arbeit wurde im Rahmen des Forschungsprojektes 150 1411 vom BMWi gefördert.

Literatur



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