Numerical Analysis and Modelling of Liquid Turbulence in Bubble Columns at Various Scales by Computational Fluid Dynamics
Creators: name: Erdogan, Sercan
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: Bubble column
Gas-Liquid systems
modelling
multi-phase flow
turbulence
Bubble induced turbulence
DNS
Two-fluid model
Euler-Euler approach
Statistical turbulence models
turbulence kinetic energy
Blasensäulen
Gas/Flüssig-Systeme
Modellierung
Mehrphasenströmung
Turbulenz
Blasen-induzierte Turbulenz
Zwei-Fluid-Modell
Euler-Euler Ansatz
statistische Turbulenzmodelle
turbulente kinetische Energie

description: Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung verbesserter statistischer Modelle für die Blasen-induzierte Turbulenz (Pseudo-Turbulenz). Es wird eine Skalen-übergreifende Herangehensweise gewählt, die sowohl Direkte Numerische Simulationen (DNS) als auch Euler Euler (E-E) Simulationen umfasst. Die dabei betrachteten Skalen umfassen Einzelblasen und Blasenschwärme sowie Blasensäulen im Labor- und Pilotmaßstab. Die Simulationsergebnisse werden jeweils anhand von Experimenten und Korrelationen verifiziert. Die Anwendbarkeit von Modellen für die ingenieurtechnische Berechnung von einem industriellen Blasensäulenreaktor auf Basis von numerischen Strömungssimulationen mit dem E-E Ansatz (Zwei-Fluid-Modell) wird nachgewiesen. Zur Modellentwicklung werden umfangreiche DNS Berechnungen für Blasen-schwärme durchgeführt. Hierfür wird das am KIT entwickelte Rechenprogramm TURBIT-VOF verwendet und ein Teilgebiet einer flachen Blasensäule betrachtet. Mittels der DNS-Daten wird die Transportgleichung der turbulenten kinetischen Energie (TKE) der Flüssigphase ($\textit{k}_{L}$) analysiert, die den Grundstein der ingenieurtechnischen Turbulenz-modellierung darstellt. Es zeigt sich, dass der dominierende Quellterm auf Grenzflächeneffekte zurückzuführen ist, während die Produktion aufgrund von Scherspannungen für die betrachteten Bedingungen gering ist. Produktions- und Dissipationsterm sind nicht im lokalen Gleichgewicht. Der Überschuss der Produktion von $\textit{k}_{L}$ in Bereichen mit hohem lokalem Gasgehalt wird durch Diffusion in Bereiche mit geringem Gasgehalt umverteilt. Für die zuverlässige Berechnung von Strömungen in Blasensäulen mit dem E-E Ansatz ist eine adäquate Modellierung des Grenzflächenterms in der $\textit{k}_{L}$-Gleichung daher von großer Bedeutung. Ansätze aus der Literatur zur Schließung dieses Terms werden durch Vergleich mit den DNS-Daten analysiert und zwei tragfähige Modelle ausgewählt. Mit dem $\textit{k}$-$\epsilon$ Zwei-Fluid-Modell in OpenFOAM® wird eine industrielle Blasensäule berechnet und der Einfluss des Grenzflächenterms in der $\textit{k}_{L}$-Gleichung untersucht. Das Turbulenzmodell hat bei Normaldruck nur einen sehr geringen, bei 18,5 bar Druck aber einen merklichen Einfluss auf den Gasgehalt und die Gas- und Flüssigkeitsgeschwindigkeit. Bei hohem Druck wird der gemessene Gasgehalt für ein Wassersystem in der Simulation deutlich überschätzt. Für ein organisches System liegen die numerischen und experimentellen Ergebnisse sehr nahe beieinander. Unter Verwendung des innerhalb dieser Arbeit implementierten Turbulenzmodells wird für das Wassersystem der Gasgehalt in Experimenten mit einer Abweichung von 9 – 13% berechnet. TKE-Profile werden für unterschiedliche Bedingungen analysiert und es wird eine lineare Beziehung zwischen TKE und lokalem Gasgehalt und mittlerer Gasgeschwindigkeit identifiziert. Die in dieser Arbeit verwendete skalenübergreifende Herangehensweise trägt zur verbesserten Turbulenzmodellierung in Blasenströmungen und damit zur Etablierung der numerischen Strömungssimulation für die Auslegung von industriellen Blasensäulen bei.