On the Reliability of Large-Eddy Simulation for Dispersed Two-Phase Flows
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On the Reliability of Large-Eddy Simulation for Dispersed Two-Phase Flows Vom Fachbereich Maschinenbau an der Technischen Universität Darmstadt zur Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation vorgelegt von Dipl.-Ing. Desislava Nikolova Dimitrova aus Haskovo (Bulgarien) Berichterstatter: Prof. Dr.–Ing. J. Janicka Mitberichterstatter: Prof. Dr.–Ing. P. Stephan Tag der Einreichung: 04. Mai 2010 Tag der mündlichen Prüfung: 07. Juni 2010 Darmstadt 2011 D 17 Abstract "On the Reliability of Large-Eddy Simulation for Dispersed Two-Phase Flows" Desislava Dimitrova This work deals with the numerical description of dilute polydispersed and turbulent two- phase flows. The method used to describe the two-phase flow is based on the EULERIAN- LAGRANGIAN approach. The carrier phase turbulent flow behavior is modeled utilizing Large Eddy Simulation (LES). Most of the recent DNS investigations attempting to provide insight into particle-fluid interac- tion mechanisms are performed on simple, mostly homogeneous turbulent flows with very low REYNOLDS numbers. In contrast to this, LES is an opportunity to extend this studies to flows with significantly higher REYNOLDS numbers and to more complex geometries. Moreover, it is less restrictive to flows containing particles, larger than the KOLMOGOROV length scale. The main objective of this work is to assess the state of the art capabilities of the two-phase LES and to identify weak points. Recommendations for additional model development for increasing the predictive ability are derived. The reliability of transfer of findings from one configuration to others is assessed. The conclusions are based on a systematic variation of relevant flow pa- rameters, such as the REYNOLDS number and the STOKES number, so that a wide range of applications is covered. Therefore, several particle–laden flow configurations (two plane chan- nel flows, a free jet and an evaporating spray at low temperature) are investigated. Special attention is paid to the prediction of the particle preferential accumulation, because of its importance for simulations of mixing and combustion in turbulent flows. By performing a systematic variation of the particle STOKES number (here defined as the ratio of the particle time scale to the KOLMOGOROV time scale of the fluid) and the flow REYNOLDS number, it is observed that the maximum preferential accumulation occurs at a constant STOKES number and that this number does not depend on the REYNOLDS number. The magnitude of the accu- mulation, however, depends on the REYNOLDS number of the flow. The effect of an additional sub-grid stress dispersion model on the particle accumulation is found to be less pronounced for particles with characteristic time scales in the order of the KOLMOGOROV scale. An additional issue of the standard EULERIAN-LAGRANGIAN method in LES context arises due to unphysical particle number densities, when preferential accumulation occurs. In this context, the usage of a model, accounting for natural dispersion due to particle collisions, is inevitable. The influence of the dispersed phase on the fluid turbulence is considered in a wall bounded and a free shear flow. The improper modeling of the particle-wall interaction mechanisms can lead to different solutions for the particle velocity field and therefore to different levels of turbulence modification in the near wall region. It should be noted that these solutions are not necessar- ily unphysical, as some experimental investigations confirm. In contrast to this, the turbulence modification in a free shear flow is predicted very well, moreover, the prediction is found to be reliable for different mass loadings of the dispersed phase. Within the scope of this work, a time efficient non-iterative Fractional Step procedure is applied for the pressure-velocity coupling of the carrier fluid governing equations. The coupling of the method with two-way coupled particle tracking simulations is validated successfully on config- urations of isothermal flows and such with low density variation using experimental and DNS data. iii Zusammenfassung "On the Reliability of Large-Eddy Simulation for Dispersed Two-Phase Flows" Desislava Dimitrova Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit dünnen polydispersen turbulen- ten Mehrphasenströmungen. Das Verfahren, das zur Beschreibung der Zweiphasenströmung verwendet wird, basiert auf der EULER-LAGRANGE Methode. Die Turbulenz in der kontinuier- lichen Phase wird mittels Grobstruktursimulation (Large Eddy Simulation, LES) modelliert. Die meisten Untersuchungen mittels Direkten Numerischen Simulation neueren Datums, die einen Einblick in die Wechselwirkungsmechanismen zwischen Partikeln und umgebendem Fluid gewähren, beschreiben einfache Strömungen, sehr oft mit homogener Turbulenz und sehr niedri- gen REYNOLDS Zahlen. Im Gegensatz dazu eröffnet LES die Möglichkeit diese Studien auf Strömungen mit wesentlich höheren REYNOLDS Zahlen und komplexeren Geometrien durch"- zu"-führen. Des Weiteren ist das Verfahren weniger restriktiv gegenüber Partikeln, die größer als die KOLMOGOROV Längenskalen sind. Die wesentliche Zielsetzung dieser Arbeit ist es, den Stand des Wissens bezüglich Zweiphasen- LES einer kritischen Prüfung zu unterziehen und hierbei Schwachpunkte zu identifizieren. Es werden Vorschläge für die weitere Modellentwicklung gemacht, um die Eignung der Meth- ode zur Vorhersage von mehrphasigen Strömungsphänomenen zu steigern. Die Zuverlässigkeit der Übertragung von Erkenntnissen von einer Konfiguration auf andere wird abgeschätzt. Die Schlussfolgerungen sind auf einer systematischen Parameterstudie der relevanten Strömungsken- ngrößen, wie der REYNOLDS Zahl oder der STOKES Zahl, begründet, und sichern somit einen großen Anwendungsbereich. Hierzu werden einige partikelbeladene Strömungskonfigurationen untersucht. Diese sind: zwei ebene Kanalströmungen, ein Freistrahl und ein Freistrahl mit ver- dampfenden Tröpfchen bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur. Besondere Beachtung findet die Vorhersage der bevorzugten Akkumulation der Partikel in einer turbulenten Umgebung. Diese ist von besonderer Wichtigkeit bei Simulationen von Mischungs- und Verbrennungsvorgängen in turbulenten Strömungen. Mittels einer systematischen Para- meterstudie der Partikel STOKES Zahl (hier definiert als das Verhältnis zwischen einer charak- teristischen Partikelzeitskala und der KOLMOGOROV Zeitskala) und der REYNOLDS Zahl der Strömung, wird aufgezeigt, dass die maximale bevorzugte Akkumulation immer bei einer kon- stanten STOKES Zahl auftritt und dass diese STOKES Zahl nicht von der REYNOLDS abhängt. Die Intensität der Akkumulation wiederum ist eine Funktion von der REYNOLDS Zahl. Der Einfluss eines stochastischen sub-grid stress Dispersionsmodells auf die Partikelakkumulation ist bewertet und als unwesentlich für Partikel eingestuft, deren charakteristische Zeitskalen in derselben Größenordnung wie die KOLMOGOROV Zeitskala liegen. Eine zusätzliche Schwierigkeit für die Zweiphasen-LES ergibt sich aus der Tatsache, dass die Standard EULER-LAGRANGE Methode unphysikalisch hohe Partikelanzahldichten in den Bere- ichen bevorzugter Konzentration zuläßt, da hier die Partikel–Partikel Kollision nicht berück- sichtigt wird. Die Verwendung eines Modells das diese beschreibt, scheint unumgänglich. Der Einfluss der dispersen Phase auf die Fluidturbulenz wird in einer geschlossenen und in einer freien Scherströmung betrachtet. Die ungenaue Modellierung der Partikel–Wand Inter- aktion in wandgeschlossenen Strömungen kann zu unterschiedlichen Lösungen für das Par- tikelgeschwindigkeitsfeld führen, und daher auch zu unterschiedlichen Intensitäten der Tur- bulenzmodifikation. Es sollte berücksichtigt werden, dass diese unterschiedlichen Lösungen keineswegs unphysikalisch sein müssen, wie auch experimentelle Untersuchungen zeigen. Im iv Gegensatz dazu wird die Turbulenzmodifikation in der freien Scherströmung sehr genau vorherge- sagt. Darüber hinaus wird gezeigt, dass diese Vorhersage auch für unterschiedliche Massenbe- ladungen der dispersen Phase zuverlässig ist. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein effizientes nicht iteratives Fractional Step Verfahren für die Druckgeschwindigkeitskopplung der kontinuierlichen Phase verwendet. Die Kopplung dieser Methode mit der Zwei–Wege gekoppelten EULER-LAGRANGE Methode ist erfolgreich für Konfigurationen isothermer Strömungen und solche mit kleiner Dichteänderung validiert, wobei sowohl experimentelle als auch DNS Daten als Referenz verwenden werden. v Acknowledgments The present work is a result of my doctoral studies, conducted during the last three years, at the Institute of Energy and Powerplant Technology (EKT) at the Darmstadt University of Tech- nology. This would not have been possible without the extensive professional and moreover personal support, I experienced from the head of the Institute Prof. Dr.-Ing. Johannes Janicka. His encouraging manner was always a source of motivation. I would like to express my grateful acknowledgment for his contribution to the present work. In addition I would like to honor his interest in the topic and for his guidance, which was always gladly accepted. I wish to thank Prof. Dr.-Ing. Peter Stephan for taking over the review of this thesis. I am especially indebted to Dr. Markus Braun, Team Leader Development at ANSYS Germany GmbH for his unfailing interest for my work. The numerous scientific discussions, far beyond the topic of the project, during the last three years contributed significantly to this work. Additional professional and personal