Please use this persistent identifier to cite or link to this item: doi:10.24405/5129
Title: Euler-Lagrange Simulationen von turbulenten, blasenbeladenen Strömungen unter Berücksichtigung von Koaleszenz und Aufbrechen
Euler-Lagrange Simulations of Turbulent Bubble-Laden Flows Including Coalescence and Breakup
Authors: Hoppe, Felix 
Language: en_US
Keywords: Multiphase Flow;Bubble-laden Flow;Turbulent Flow;Coalescence;Breakup;Euler-Lagrange;Large Eddy Simulation;Microbubbles;Subgrid-scale Model;Film-drainage Model;Turbulent Bubble Breakup
Subject (DDC): DDC - Dewey Decimal Classification::600 Technik
Issue Date: 2020
Document Type: Thesis
Abstract: 
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.

This thesis is concerned with the numerical prediction of turbulent bubble-laden flows including important phenomena such as bubble coalescence and breakup. For this purpose, the LES-based Euler–Lagrange framework LESOCC is extended towards the tracking of bubbles. The major topics of this thesis are (i) the modeling of the unresolved scales of LES seen by the dispersed phase, (ii) the numerical description of bubble coalescence and (iii) the deterministic prediction of turbulence-induced bubble breakup.
The subgrid scales are modeled based on the stochastic approach by Pozorski and Apte (2009), which is further improved by considering arbitrary orientations of the particle motion. Furthermore, an unconditionally stable solution method is derived. Due to the small magnitude of the subgrid-scale velocities estimated by the extended Langevin model, the overall influence of the model is small for bubbles dispersed in a channel flow at a low Reynolds number (Re). For solid particles in a channel flow at a larger Re, the impact is more pronounced, e.g., an enhanced particle volume fraction is obtained in the vicinity of walls with significant implications on the agglomeration and the deposition of particles.
Regarding coalescence, the model by Jeelani and Hartland (1991) is further improved by considering a physically more realistic drainage mechanism and a variable added-mass coeffcient for the bubbles. The extended model is made applicable to flows containing a large number of bubbles by the use of a regression function estimated once at the beginning of the simulation. Good agreement of the simulation results with experimental data of single clean or contaminated bubbles coalescing with a free surface is achieved demonstrating that the extended model yields reliable predictions of coalescence. Applying
the coalescence model to simulations of a bubble column containing a large number of clean and contaminated bubbles of two different sizes reveals significant differences between the evolutions of the bubble size distributions, which can be attributed to the ability of the bubbles to induce turbulence in the fluid by a self-exciting feedback loop.
Lastly, bubble breakup is described by transferring the approach of Hagesaether et al. (2002) to the Euler–Lagrange framework. This involves the deterministic prediction of the size, the separation axis and the associated separation velocities of the daughter bubbles. Additionally, an idle time during which the daughter bubbles cannot break up is introduced. All quantities are derived purely based on physical arguments. Based on a comparison of the simulation results of bubble breakup in a turbulent jet flow with
experimental data, the model is found to reliably predict breakup processes. Further investigations reveal a marginal influence of bubble coalescence in the present case, while the surface tension of the bubbles plays an important role for the size distributions.
In summary, the developments in the present thesis have led to a reliable and yet efficient simulation methodology for bubble-laden turbulent flows with high volume loading.
Organization Units (connected with the publication): Strömungsmechanik 
DOI: https://doi.org/10.24405/5129
Advisor: Breuer, Michael  
Referee: Fairweather, Michael
Grantor: HSU Hamburg
Type of thesis: Doctoral Thesis
Exam date: 2020-01-24
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