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    Open Access
    Euler-Lagrange Simulationen von turbulenten, blasenbeladenen Strömungen unter Berücksichtigung von Koaleszenz und Aufbrechen
    (Universitätsbibliothek der HSU / UniBwH, 2020) ; ;
    Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg
    ;
    Fairweather, Michael
    Diese Dissertation befasst sich mit der numerischen Berechnung von turbulenten, blasen-beladenen Strömungen unter Berücksichtigung wichtiger Phänomene wie Koaleszenz und Aufbrechen. Zu diesem Zweck wird der LES-basierte Euler-Lagrange Code LESOCC auf die Berechnung von Blasenbewegungen ausgeweitet. Die Schwerpunkte dieser Arbeit sind (i) die Modellierung des Einflusses der von LES nicht aufgelösten Skalen auf die disperse Phase, (ii) die Beschreibung von Koaleszenzvorgängen und (iii) die deterministische Vorhersage von turbulenzinduziertem Aufbrechen der Blasen. Die nicht aufgelösten Skalen werden mit Hilfe des stochastischen Ansatzes von Pozorski und Apte (2009) modelliert, welcher durch die Berücksichtigung einer beliebigen Orientierung der Blasenbewegung verbessert wird. Zusätzlich wird eine stabile Lösungsmethode hergeleitet. Aufgrund des kleinen Betrags der durch das erweiterte Langevin-Modell abgeschätzten, nicht aufgelösten Geschwindigkeiten ist der Einfluss des Modells auf Blasen in einer Kanalströmung bei niedriger Reynolds-Zahl (Re) gering. Die Wirkung ist für feste Partikel in einem Kanal bei höheren Re-Zahlen stärker ausgeprägt. Beispielsweise wird ein höherer Volumenanteil der Partikel in der Nähe der Wände festgestellt, was signifikante Auswirkungen auf die Agglomeration und die Deposition der Partikel hat. Bezüglich Koaleszenz wird das Model von Jeelani und Hartland (1991) durch die Berücksichtigung eines physikalisch realistischeren Abflussmechanismus und eines variablen Koeffizienten der virtuellen Masse weiter verfeinert. Die praktische Einsetzbarkeit des Modells wird durch die Verwendung einer Regressionsfunktion, die einmal am Anfang der Simulation bestimmt wird, erhöht. Das erweiterte Modell liefert eine gute Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit experimentellen Daten der Koaleszenz von sauberen und kontaminierten Einzelblasen mit einer freien Oberfläche. Simulationen einer Blasensäule, welche eine große Anzahl sauberer oder kontaminierter Blasen unterschiedlicher Größen enthält, zeigen deutliche Unterschiede zwischen den Entwicklungen der Größenverteilung der Blasen. Dies kann auf die unterschiedliche Fähigkeit der Blasen zurückgeführt werden, durch einen selbstverstärkenden Rückkopplungsmechanismus Turbulenz zu erzeugen. Das Aufbrechen der Blasen wird beschrieben, indem das Modell von Hagesaether et al. (2002) in den Euler-Lagrange-Ansatz überführt wird. Dies umfasst die deterministische Bestimmung der Größe, der Trennungsachse und der dazugehörigen Trennungsgeschwindigkeiten der Tochterblasen. Zusätzlich wird eine Wartezeit eingeführt, während der die Tochterblasen nicht weiter aufbrechen können. Diese Größen werden basierend auf physikalischen Argumenten hergeleitet. Der Vergleich von Simulationsergebnissen mit experimentellen Daten des Blasenaufbrechens in einer turbulenten Düsenströmung zeigt, dass das Modell das Aufbrechen der Blasen zuverlässig vorhersagen kann. Weitere Untersuchungen ergeben in diesem Fall einen marginalen Einfluss der Koaleszenz, wohingegen die Oberflächenspannung eine wichtige Rolle für die Größenverteilung spielt. Zusammengefasst haben die im Zuge dieser Dissertation durchgeführten Arbeiten zu einer zuverlässigen und gleichzeitig effizienten Simulationsmethode für turbulente Strömungen mit einer hoher Blasenbeladung geführt.