Утицај храпавости зидова канала при струјању мешавине гаса и честица у унутрашњим турбулентним струјањима

Abstract

У дисертациjи се проучава утицаj храпавости зидова при струjању мешавине че- стица и гаса. При оваквим струjањима, судар честица са храпавим зидом jе увек тродимензионалан (3Д) услед прилазних углова честица према зиду као и геомет- риjе храпавих зидова, док су према раниjим истраживањима, модели коришћени за оваj судар у нумеричким симулациjама углавном дводимензионалан (2Д) или упрошћени 3Д. Како би се омогућио тачниjи прорачун струjања мешавине честица и гаса, циљ дисертациjе jе развоj модела за 3Д судар честице и храпавог зида. У ди- сертациjи су анализирани судари честица са изотропним и анизотропним храпавим зидовима, путем детерминистичких симулациjа и изведени су одговараjући стоха- стички модели за те сударе, применљиви у Оjлер-Лагранж симулациjама струjања мешавине честица и гаса. Налази се да са порастом прилазног угла честица у од- носу на макроскопски гладак зид, долази до пораста стандардне девиjациjе бочних углова одбиjања честица и у случаjу изотропне и анизотропне површине. Механи- зам вишеструких судара честица са зидом остаjе непромењен у односу на 2Д модел за судар честице и зида. Изведени стохастички модели се пореде се расположивим експерименталним резултатима и детерминистичким симулациjама. Извршене су LES симулациjе струjања чистог флуида (без присуства дисперзне фазе) у хоризон- талном каналу правоугаоног попречног пресека користећи различите SGS моделе: модел Смагоринског, WALE и динамички jедно-jедначински модел. Симулациjе су изведене у програмском пакету ОpenFOAM. Утицаj зидова тог канала, различите храпавости, на дисперзну фазу, при струjању мешавине гаса и честица истражен jе путем LES-DPS симулациjа. Међусобни судари честица се израчунаваjу приме- ном модела меких сфера. Када се ови судари занемаре, што би било оправдано при струjањима са веома малом концентрациjом дисперзне фазе, налази се да хра- павост зида може бити значаjан механизам за продукциjу попречних флуктуациjе честица. Узимањем у обзир међусобних судара честица, долази до пораста попреч- них флуктуациjа брзине честица и показуjе се да jе у погледу ових флуктуациjа утицаj међусобног судара честица већи у односу на утицаj храпавости зидова ка- нала.

Influence of wall roughness in turbulent particle-laden wall confined flows is studied in this thesis. In such a flow configuration, particle-wall collision is always three-dimensional (3D) owing to the particle incident angles and rough wall geometry, while according to the previous investigations, models for this collision in numerical simulations are mostly two-dimensional (2D) or simplified 3D. In order to enable more accurate calculation of wall confined particle-laden flows, the goal of the thesis is development of the model for 3D particle-rough wall collision. Particles collision with isotropic and anisotropic rough walls are analyzed using deterministic simulations and stochastic models for those collisions are developed in Euler-Lagrangian framework. It is found that with increase of particle incident angle a standard deviation of particle transverse angles increases, for cases of isotropic and anisotropic rough wall surface. Mechanism of multiple particlerough wall collision remains unchanged comparing to the 2D model for particle-rough wall collision. Derived stochastic models are compared to the available experimental measurements and results of deterministic simulations. LES of pure fluid flow (without disperse phase) in a horizontal channel are carried out, using different SGS models: Smagorinsky, WALE and dynamic one-equation model. Simulations are carried out in software package OpenFOAM. Also, LES-DPS is performed in turbulent particleladen flow in horizontal channel in order to estimate influence of walls roughness on disperse phase. Inter-particle collisions are calculated using soft-sphere model. When these collisions are neglected, which is justified at very diluted flows, it is shown that wall roughness can be significant mechanism for production of particle spanwise velocity fluctuations. When inter-particle collisions are accounted for, these fluctuations increase and the influence of inter-particle collisions on particle spanwise velocity fluctuations becomes larger than the influence of channel wall roughness.