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Computational study of thermotechnical two-phase flow configurations with scale-resolving turbulence models

Joksimović, Ivan (2023)
Computational study of thermotechnical two-phase flow configurations with scale-resolving turbulence models.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023766
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

The present work deals with the further development of a novel scale-resolving model of turbulence, in terms of its computational validation and in-depth analysis of its predictive performance under the conditions of complex interacting flow and thermal fields, as encountered in the thermotechnical two-phase flow systems. Computational capturing of the phenomena being presently of interest that commonly characterize industrial flow configurations and require coupled modeling of multiple flow fields include: high turbulence intensity and large-scale instabilities,heat transfer and interphase interaction accounting also for free surface-induced effects.Their correct capturing is either beyond the capabilities of classical RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) models with respect to their inherent time-averaged theoretical foundation or is too costly for correspondingly well-resolved LES and DNS approaches. By resolving the spectrum to a reasonable extent in a grid-free spacing free manner, it is expected that the most important flow features will be captured directly, while the non-resolved residual turbulence will be modeled with highest possible accuracy. Particularly suitable for the latter are the models relying on the second-moment closure concept, as presented in Jakirlić and Maduta (2015). The key question behind the outlined research is whether the accuracy of the model and competitive resources for its performance (reflected in the relatively modest grid size, as compared with LES methods) can be extended far beyond the parameter space used for its calibration and development. This dissertation addresses this question by examining some specifically configured thermotechnical flow configurations using a higher-order, scale-resolving turbulence model, termed as Improved Instability-Sensitive Reynolds-Stress Model (IIS-RSM), and associated numerical algorithms in the context of the Sensitized RANS framework.In total, six complex flow configurations, involving a variety of all the above-mentioned phenomena, are covered by the modeling paradigm adopted. Systematical testing of the scale-resolving capability of the model scheme is initially performed over a range of canonical, but relevant pipe configurations. Afterwards, the IIS-RSM is systematically validated in simulating thermal mixing in three differently configured T-junction configurations that exhibit a complex flow topology resulting from structural variations in inflow properties and strong temperature gradients causing high-level turbulence instabilities. Moreover, the flow cases were chosen that cover the widest possible range of Reynolds numbers consistent with practically relevant operational conditions. The eddy-resolving Reynolds-stress model was further coupled with the Euler-Lagrangian methodological framework to evaluate its suitability for predicting two-phase flow systems. Accordingly, three gas-liquid two-phase flow configurations were selected, representing differently arranged bubbly columns and a bubble stream generated by an emerged water jet exiting into a pool. The latter flow configuration occurring at a high Reynolds number is characterized by a jet-induced secondary motion. Additionally, model formulations describing the Bubble-Induced-Turbulence (BIT), including the model recently proposed by Ma et al. (2020), are tested for the first time as part of the complete computational model operating in a scale-resolving mode.In addition to the common results interpretation showing the evolution of global properties and individual profiles of various variables characterizing the underlying flow and thermal fields as well as those of turbulence quantities, Proper-Orthogonal-Decomposition (POD) is used throughout the work to analyze and extract coherent flow features as a means of identifying prevalent flow mechanisms.All simulation results show a high degree of accuracy with respect to the avail-able experimental or otherwise numerically determined reference data. Both the statistical properties of the flow and its dynamic behavior are correctly captured qualitatively and quantitatively by the model, with remarkable reductions in the necessary spatial and temporal resolution. In the calculations of the two-phase bubbly columns, the quality of the previous studies is maintained, while the robustness and stability of the calculations have been significantly improved. Certain weak points of the IIS-RSM have been identified, and indications for future improvements are proposed and presented in the conclusion. In this way, a reliable computational tool is obtained that is capable of accurately predicting a variety of computationally challenging flow phenomena.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Joksimović, Ivan
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Computational study of thermotechnical two-phase flow configurations with scale-resolving turbulence models
Sprache: Englisch
Referenten: Jakirlic, Prof. Dr. Suad ; Hussong, Prof. Dr. Jeanette ; Groll, Prof. Dr. Rodion
Publikationsjahr: 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: xiv, 229 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 20 Dezember 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00023766
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/23766
Kurzbeschreibung (Abstract):

The present work deals with the further development of a novel scale-resolving model of turbulence, in terms of its computational validation and in-depth analysis of its predictive performance under the conditions of complex interacting flow and thermal fields, as encountered in the thermotechnical two-phase flow systems. Computational capturing of the phenomena being presently of interest that commonly characterize industrial flow configurations and require coupled modeling of multiple flow fields include: high turbulence intensity and large-scale instabilities,heat transfer and interphase interaction accounting also for free surface-induced effects.Their correct capturing is either beyond the capabilities of classical RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) models with respect to their inherent time-averaged theoretical foundation or is too costly for correspondingly well-resolved LES and DNS approaches. By resolving the spectrum to a reasonable extent in a grid-free spacing free manner, it is expected that the most important flow features will be captured directly, while the non-resolved residual turbulence will be modeled with highest possible accuracy. Particularly suitable for the latter are the models relying on the second-moment closure concept, as presented in Jakirlić and Maduta (2015). The key question behind the outlined research is whether the accuracy of the model and competitive resources for its performance (reflected in the relatively modest grid size, as compared with LES methods) can be extended far beyond the parameter space used for its calibration and development. This dissertation addresses this question by examining some specifically configured thermotechnical flow configurations using a higher-order, scale-resolving turbulence model, termed as Improved Instability-Sensitive Reynolds-Stress Model (IIS-RSM), and associated numerical algorithms in the context of the Sensitized RANS framework.In total, six complex flow configurations, involving a variety of all the above-mentioned phenomena, are covered by the modeling paradigm adopted. Systematical testing of the scale-resolving capability of the model scheme is initially performed over a range of canonical, but relevant pipe configurations. Afterwards, the IIS-RSM is systematically validated in simulating thermal mixing in three differently configured T-junction configurations that exhibit a complex flow topology resulting from structural variations in inflow properties and strong temperature gradients causing high-level turbulence instabilities. Moreover, the flow cases were chosen that cover the widest possible range of Reynolds numbers consistent with practically relevant operational conditions. The eddy-resolving Reynolds-stress model was further coupled with the Euler-Lagrangian methodological framework to evaluate its suitability for predicting two-phase flow systems. Accordingly, three gas-liquid two-phase flow configurations were selected, representing differently arranged bubbly columns and a bubble stream generated by an emerged water jet exiting into a pool. The latter flow configuration occurring at a high Reynolds number is characterized by a jet-induced secondary motion. Additionally, model formulations describing the Bubble-Induced-Turbulence (BIT), including the model recently proposed by Ma et al. (2020), are tested for the first time as part of the complete computational model operating in a scale-resolving mode.In addition to the common results interpretation showing the evolution of global properties and individual profiles of various variables characterizing the underlying flow and thermal fields as well as those of turbulence quantities, Proper-Orthogonal-Decomposition (POD) is used throughout the work to analyze and extract coherent flow features as a means of identifying prevalent flow mechanisms.All simulation results show a high degree of accuracy with respect to the avail-able experimental or otherwise numerically determined reference data. Both the statistical properties of the flow and its dynamic behavior are correctly captured qualitatively and quantitatively by the model, with remarkable reductions in the necessary spatial and temporal resolution. In the calculations of the two-phase bubbly columns, the quality of the previous studies is maintained, while the robustness and stability of the calculations have been significantly improved. Certain weak points of the IIS-RSM have been identified, and indications for future improvements are proposed and presented in the conclusion. In this way, a reliable computational tool is obtained that is capable of accurately predicting a variety of computationally challenging flow phenomena.

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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Weiterentwicklung eines neuartigen skalenauflösenden Turbulenzmodells im Hinblick auf dessen numerische Validierung und die eingehende Analyse seiner prädiktiven Leistungsfähigkeiten unter den Bedingungen komplex interagierender Strömungs- und Wärmefelder, wie sie in thermotechnischen Zweiphasenströmungssystemen anzutreffen sind. Zur numerischen Erfassung der behandelten Phänomene, die eine Reihe an industriellen Strömungskonfigurationen charakterisieren und eine gekoppelte Modellierung mehrerer Strömungsfelder erfordern, gehören: hohe Turbulenzintensität und großräumige Instabilitäten,Wärmeübertragungsvorgänge und Interphasenwechselwirkung unter Berücksichtigung von Effekten, die durch freie Oberflächen verursacht werden. Ihre korrekte Erfassung übersteigt entweder die Möglichkeiten klassischer RANS-Modelle (Reynolds-Averaged Navier- Stokes) im Hinblick auf ihre inhärente zeitgemittelte theoretische Grundlage oder ist zu kostspielig für entsprechend gut aufgelöste LES- und DNS-Ansätze. Durch die gitterfreie Auflösung des Spektrums in einem entsprechenden Umfang wird erwartet, dass die wichtigsten Strömungsmerkmale direkt erfasst werden, während die nicht aufgelöste Turbulenz mit höchstmöglicher Genauigkeit modelliert wird. Für Letzteres eignen sich besonders die Modelle, die auf dem Konzept der Dynamik der Momente zweiter Ordnung der Geschwindigkeitsfluktuationen beruhen, wie in Jakirlić and Maduta, 2015 vorgestellt. Die zentrale Frage, die sich hinter den dargestellten Forschungsaktivitäten verbirgt, ist, ob die Genauigkeit und die wettbewerbsfähigen Ressourcen für die Modellleistung weit über den für die Kalibrierung und Entwicklung des Modells verwendeten Parameterraum hinaus erweitert werden können. Diese Dissertation befasst sich mit dieser Frage, indem sie einige spezifisch konfigurierte thermo-technische Strömungskonfigurationen unter Verwendung eines skalenauflösenden Turbulenzmodells höherer Ordnung (Improved Instability-Sensitive Reynolds-Stress Model, IIS-RSM) und zugehöriger numerischer Algorithmen im Kontext der ’Sensitized-RANS’ Methode untersucht. Insgesamt werden sechs komplexe Strömungskonfigurationen, die durch eine Vielzahl der oben genannten Phänomene charakterisiert sind, durch das eingesetzte Modellierungskonzept abgedeckt. Die wirbelauflösende Fähigkeit des Modells wird zunächst systematisch für eine Reihe kanonischer, aber relevanter Rohrkonfiguratio- nen getestet. Anschließend wird das IIS-RSM systematisch bei der Simulation der thermischen Vermischung in drei unterschiedlich konfigurierten T-Verbindungsstück-Konfigurationen validiert, die eine komplexe Strömungstopologie aufweisen, die sich aus strukturellen Variationen der Einströmeigenschaften und starken Temperaturgradienten ergibt, die verstärkte Turbulenzinstabilitäten verursachen. Darüber hinaus wurden die Strömungsfälle so gewählt, dass sie den größtmöglichen Bereich von Reynoldszahlen abdecken, die mit praktisch relevanten Betriebsbedingungen kompatibel sind. Das wirbelauflösende Reynolds-Spannungsmodell wurde mit dem EulerLagrange’schen methodologischen Verfahren gekoppelt, um dessen Eignung für die Vorhersage von Zweiphasen-Strömungssystemen zu bewerten. Dementsprechend wurden drei Gas-Flüssigkeits-Zweiphasen-Strömungskonfigurationen ausgewählt, die unterschiedlich angeordnete Blasensäulen und einen Blasenstrom darstellen, der durch einen austretenden Wasserstrahl erzeugt wird, der in eine Wasservorlage mün- det. Die letztgenannte Strömungskonfiguration, die bei einer hohen Reynoldszahl auftritt, ist durch eine strahlinduzierte Sekundärbewegung gekennzeichnet. Darüber hinaus werden Modellformulierungen zur Beschreibung der blaseninduzierten Turbulenz (Bubble-Induced-Turbulence, BIT), einschließlich des kürzlich von Ma et al., (2020) vorgeschlagenen Modells, zum ersten Mal als Teil des vollständigen Berechnungsmodells getestet, das in einem skalenauflösenden Modus arbeitet. Zusätzlich zu der allgemeinen Ergebnisinterpretation, die die Entwicklung globaler Eigenschaften und individueller Profile verschiedener Variablen zeigt, die die zugrunde liegenden Strömungs- und Wärmefelder sowie die Turbulenzgrößen charakterisieren, wird in der gesamten Arbeit die Proper-Orthogonal-Decomposition (POD) verwendet, um kohärente Strömungsmerkmale zu analysieren und zu extrahieren, um die dominierenden Strömungsmechanismen zu identifizieren. Alle Simulationsergebnisse zeigen ein hohes Maß an Genauigkeit im Vergleich mit den verfügbaren experimentellen- oder anderweitig ermittelten numerischen Referenzdaten. Sowohl die statistischen Eigenschaften der Strömung als auch ihr dynamisches Verhalten werden durch das Modell qualitativ und quantitativ korrekt erfasst, wobei die erforderliche räumliche und zeitliche Auflösung deutlich reduziert wird. Bei den Berechnungen der zweiphasigen Blasensäulen wird die Qualität der in früheren Studien gewonnenen Ergebnisse wiedergegeben, aber die Robustheit und Stabilität der Berechnungen wurden deutlich verbessert. Bestimmte Schwachstellen des Modells wurden identifiziert, und es wurden Hinweise für künftige Verbesserungen vorgeschlagen und in der Schlussfolgerung vorgestellt. Auf diese Weise erhält man ein zuverlässiges Berechnungsmodell, das in der Lage ist, eine Vielzahl von numerisch anspruchsvollen Strömungsphänomenen genau vorherzusagen.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-237663
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik (SLA)
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik (SLA) > Modellierung und Simulation turbulenter Strömungen
Hinterlegungsdatum: 23 Mai 2023 12:22
Letzte Änderung: 24 Mai 2023 05:21
PPN:
Referenten: Jakirlic, Prof. Dr. Suad ; Hussong, Prof. Dr. Jeanette ; Groll, Prof. Dr. Rodion
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 20 Dezember 2022
Export:
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