Einfluss reibungsbehafteter Partikel-Wand- und Partikel-Partikel-Kollisionen auf die Large-Eddy Simulation disperser Mehrphasenströmungen

Abstract

Partikelbeladene wandgebundene turbulente Str¨omungen kommen in einer Vielzahl ingenieurm ¨aßiger Anwendungsf¨alle vor und das Interesse an der numerischen Simulation solcher Str¨omungen wird in der Forschung und der Industrie immer gr¨oßer. Die dadurch steigenden Anforderungen an die CFD-Codes machen eine m¨oglichst genaue, gleichzeitig aber effiziente Behandlung der Tr¨agerstr¨omung (z. B. ¨uber eine Large-Eddy Simulation) und der Partikel (z. B. ¨uber effiziente Partikelverfolgungs- bzw. Kollisionsalgorithmen) erforderlich. Die vorliegende Master-Thesis besch¨aftigt sich in diesem Kontext mit der Fragestellung, welche Auswirkungen Reibungseffekte bei der Kollision von Partikeln mit W¨anden oder anderen Partikeln haben und inwiefern die Rauheit der W¨ande die Partikel der Mehrphasenstr¨omung beeinflusst. Dazu wurden im Zuge dieser Arbeit drei deterministische Kollisionsmodelle f¨ur die Anwendung in Euler-Lagrange-Simulationen von partikelbeladenen Str¨omungen entwickelt. Die ersten beiden Modelle dienen der Behandlung von reibungsbehafteten Partikel-Wand- bzw. Partikel-Partikel-Kollisionen mit sph¨arischen Partikeln und das dritte Modell der Ber¨ucksichtigung rauer W¨ande. Die Modelle wurden in den hauseigenen Euler-Lagrange-Code LESOCC der Professur f¨ur Str¨omungsmechanik an der Helmut-Schmidt-Universit¨at Hamburg implementiert und damit dann zahlreiche Large-Eddy Simulationen f¨ur einen ausgew¨ahlten Testfall aus der Literatur (ebene, horizontale Kanalstr¨omung) bei unterschiedlichen Massenbeladungen und verschiedenen Modellierungsgraden durchgef¨uhrt. Die Simulationsergebnisse wurden ausgewertet und auf den Einfluss sowie die Wichtigkeit der einzelnen Modelle hin analysiert. Bei der Auswertung der Ergebnisse wurde festgestellt, dass die Rauheit der Kanalw ¨ande den mit Abstand gr¨oßten Einfluss auf die partikelbeladene Str¨omung hat. Eine Vernachl¨assigung dieses Effektes f¨uhrte zu klaren Abweichungen von den Referenzdaten. Die Reibungseffekte bei den Partikel-Wand- und Partikel-Partikel-Kollisionen spielten im Vergleich dazu eine untergeordnete Rolle. Alles in allem f¨uhrte die Ber¨ucksichtigung aller drei Modelle jedoch zu vielversprechenden Ergebnissen, die eine zum Teil hervorragende Reproduktion der Referenzdaten lieferten und somit eine wesentliche Verbesserung der Simulation von partikelbeladenen Str¨omungen mit LESOCC erzielten.