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Fluid dynamics of bubbly flows
Fluid dynamics of bubbly flows
Ziegenhein, Thomas
Inst. Prozess- und Verfahrenstechnik
Bubbly flows can be found in many applications in chemical, biological and power engineering. Reliable simulation tools of such flows that allow the design of new processes and optimization of existing one are therefore highly desirable. CFD-simulations applying the multi-fluid approach are very promising to provide such a design tool for complete facilities. In the multi-fluid approach, however, closure models have to be formulated to model the interaction between the continuous and dispersed phase. Due to the complex nature of bubbly flows, different phenomena have to be taken into account and for every phenomenon different closure models exist. Therefore, reliable predictions of unknown bubbly flows are not yet possible with the multi-fluid approach.
A strategy to overcome this problem is to define a baseline model in which the closure models including the model constants are fixed so that the limitations of the modeling can be evaluated by validating it on different experiments. Afterwards, the shortcomings are identified so that the baseline model can be stepwise improved without losing the validity for the already validated cases. This development of a baseline model is done in the present work by validating the baseline model developed at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf mainly basing on experimental data for bubbly pipe flows to bubble columns, bubble plumes and airlift reactors that are relevant in chemical and biological engineering applications.
In the present work, a large variety of such setups is used for validation. The buoyancy driven bubbly flows showed thereby a transient behavior on the scale of the facility. Since such large scales are characterized by the geometry of the facility, turbulence models cannot describe them. Therefore, the transient simulation of bubbly flows with two equation models based on the unsteady Reynolds-averaged Navier–Stokes equations is investigated. In combination with the before mentioned baseline model these transient simulations can reproduce many experimental setups without fitting any model. Nevertheless, shortcomings are identified that need to be further investigated to improve the baseline model.
For a validation of models, experiments that describe as far as possible all relevant phenomena of bubbly flows are needed. Since such data are rare in the literature, CFD-grade experiments in an airlift reactor were conducted in the present work. Concepts to measure the bubble size distribution and liquid velocities are developed for this purpose. In particular, the liquid velocity measurements are difficult; a sampling bias that was not yet described in the literature is identified. To overcome this error, a hold processor is developed.
The closure models are usually formulated based on single bubble experiments in simplified conditions. In particular, the lift force was not yet measured in low Morton number systems under turbulent conditions. A new experimental method is developed in the present work to determine the lift force coefficient in such flow conditions without the aid of moving parts so that the lift force can be measured in any chemical system easily.
Die Auslegung und Optimierung von Mehrphasen-Prozessen im Bereich der chemischen und biologischen Verfahrenstechnik sowie der Energietechnik mithilfe von verlässlichen Simulationswerkzeugen ist aufgrund ihrer Vielzahl wünschenswert. Im speziellen für Blasenströmungen sind CFD-Simulationen die auf dem multi-fluid Ansatz basieren sehr vielversprechend um mit Ihrer Hilfe komplette Reaktoren auszulegen. Dabei müssen jedoch Schließungsmodelle formuliert werden, die die Wechselwirkungen zwischen der dispersen und der kontinuierlichen Phase beschreiben. In Blasenströmungen müssen verschieden Phänomene modelliert werden, für die es wiederum verschiedene Schließungsmodelle gibt. Durch diese Komplexität ist es bis jetzt nicht möglich Blasenströmungen die nicht vorher vermessen wurden verlässlich vorherzusagen. Eine Möglichkeit hinzu verlässlichen Modellen ist die Definition eines baseline models in dem alle Modelle und Modellkonstanten festgelegt sind. Durch die Validierung von verschiedenen Experimenten mit solch einem Modellsatz können die Grenzen der Modellierung ausgelotet werden, Defizite erkannt und Schrittweise verbessert werden ohne die Gültigkeit für die bereits bestehenden Anwendungen zu verlieren.
In dieser Arbeit wird das baseline model welches am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf hauptsächlich für Blasenströmungen in Rohren validiert wurde weiterentwickelt, indem es mit einer Vielzahl von Blasensäulen und Schlaufenreaktoren validiert wird, die in der chemischen Industrie und Biotechnologie angewendet werden. Solche dichtegetriebenen Strömungen zeigen charakteristische Strömungsmerkmale in der Größe des Apparates. Solche großen Skalen können im Allgemeinen nicht durch ein Turbulenzmodell abgebildet werden, wodurch die transiente Simulation von Blasenströmungen mit Zweigleichungs-Turbulenzmodellen basierend auf den Reynolds gemittelten Navier-Stokes Gleichungen untersucht wurde. In Kombination mit dem baseline model konnten diese transienten Simulationen die Experimente reproduzieren ohne Modellkonstanten anzupassen. Defizite existieren jedoch, die weiter untersucht werden müssen um das baseline model weiter zu verbessern
Die Anforderungen an die experimentellen Daten bei einer Modellvalidierung sind sehr hoch, so müssen diese soweit möglich jeden relevanten Aspekt von Blasenströmungen beschreiben. Da solche umfassenden Daten in der Literatur selten sind, wurden eigene Experimente für einen Schlaufenreaktor speziell zur CFD-Validierung durchgeführt. In diesem Zusammenhang wurden Messkonzepte entwickelt, um die Blasengrößenverteilung und Flüssiggeschwindigkeit bei hohen Gasgehalten zu bestimmen. Bei der Messung der Flüssiggeschwindigkeit wurde eine Stichprobenverzerrung identifiziert die bis jetzt noch nicht in der Literatur beschrieben wurde. Um diesen Fehler zu beheben, wurde eine hold processor entwickelt.
Die erforderlichen Schließungsmodelle sind im Allgemeinen für Einzelblasenexperimente in vereinfachten Modellsystemen formuliert. Im Besonderen wurde die Lift-Kraft noch nicht in Systemen mit einer niedrigen Morton Zahl und unter turbulenten Bedingungen vermessen. Deshalb ist in dieser Arbeit ein neue Methode beschrieben die es erlaubt die Lift-Kraft in solchen Systemen zu bestimmen, dabei werden, wie üblich, keine beweglichen Teile benutzt wodurch sich diese Methode für eine Vielzahl von chemischen Stoffen eignet.
