Fasskiftande flöden: numeriska metoder och högupplösta numeriska simuleringar

QC 220525

Abstract

Flöden med avdunstning och kokning är vanligt förekommande i olika sammanhang, t.ex. inom området geofysik och biomedicin samt industriella tillämpningar. Sprayförbränning, kokande bubbelflöden, oceaniska sprayer, bildning och utveckling av moln, spridning av infektionssjukdomar är alla relevanta exempel där en djupare förståelse för fasskiftande flöden är av stor vikt. Högupplösta numeriska simuleringar kan ha en viktig roll i undersökningen av dessa fenomen, eftersom de kan övervinna begränsningarna hos de existerande experimentella metoderna och komplettera dem.

I den första delen av detta arbete presenterar vi nya metoder för gränssnitt\-supplösta simuleringar av fasskiftande flöden som adresserar följande tre utmaningar: i) att hantera snabba variationer av hastighetsfältet över gränssnittet, ii) att noggrant utvärdera överföring av värme och massa vid gränssnittet, iii) att inkorporera kompressibilitet av fluiden som oundvikligen finns i avgränsade domäner. Både skarpa och diffusa gränssnittsformuleringar behandlas här, och de resulterande två metoderna är designade för olika klasser av flerfasflöden. Först har vi tagit fram en algoritm för ett svagt kompressibelt flöde för att beskriva  avdunstning av inkompressibla droppar omgivna av ett kompressibelt gasmedium i gränsen för låga Machtal. Detta tillvägagångssätt kombinerar en vätskevolymmetod och tryckdelningstekniken för beräkning av ett inkompressibelt flöde för att säkerställa bevarande av av vätskefasens volym och massan av den kompressibla fasen. Därefter har vi utvecklat en algoritm för kompressibla bubblor i kokande flöden, där snabba expansioner och variationer i de termodynamiska tryckfälten gör approximationen för ett flöde med lågt Machtal otillräcklig.

I den andra delen av avhandlingen diskuterar vi hur dessa numeriska verktyg kan användas för att studera relevanta fall av flöden där förångningsprocessen ingår. Här beaktar vi två flödesregimer: i) dispergerade droppar, och ii) en horisontell gas-vätskegränsyta. Droppar betraktas först i ett homogent turbulent flöde i utspätt tillstånd. Här jämför vi de semi-empiriska korrelationerna för avdunstningshastigheten med data från direkt numeriska simuleringar för små droppar och studerar effekten av deformation på den globala och lokala förångningshastigheten. Därefter betraktar vi fall med högre densitet av droppar i en domän med periodiska randvillkor i alla riktningar och studerar avvikelsen från d²-lagen som en funktion av initial gastemperatur och vätskevolymfraktion. Vi bekräftar att även när förångningen enbart drivs av diffusion, kan avvikelser från d²-lagen inte karakteriseras endast av den initiala volymfraktionen, utan även temperaturen spelar en roll: hög temperatur främjar avvikelsen från d²-lagsregim vid högre volymfraktion, medan vid omgivningstemperatur sker denna avvikelse vid lägre volymfraktion. Därefter studerar vi förångningen som sker vid ett gas-vätskegränssnitt i ett Rayleigh–Bénard-konvektion flöde. För denna konfiguration utvecklar vi analytiska utryck för gränssnittstemperaturen och den globala värmeöverföringsmoduleringen och använder gränssnittsupplösta simuleringar för att bedöma modellernas giltighet. Den utmärkta överstämmelsen mellan modellen och simuleringsdata öppnar möjligheten för användning av den föreslagna analytiska modellen för de applikationer där exakt prediktering av gränssnittstemperatur och värmeöverföring eftersträvas.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-312912