Uticaj hrapavosti zidova kanala pri strujanju mešavine gasa i čestica u unutrašnjim turbulentnim strujanjima

Abstract

U disertaciji se proučava uticaj hrapavosti zidova pri strujanju mešavine če- stica i gasa. Pri ovakvim strujanjima, sudar čestica sa hrapavim zidom je uvek trodimenzionalan (3D) usled prilaznih uglova čestica prema zidu kao i geomet- rije hrapavih zidova, dok su prema ranijim istraživanjima, modeli korišćeni za ovaj sudar u numeričkim simulacijama uglavnom dvodimenzionalan (2D) ili uprošćeni 3D. Kako bi se omogućio tačniji proračun strujanja mešavine čestica i gasa, cilj disertacije je razvoj modela za 3D sudar čestice i hrapavog zida. U di- sertaciji su analizirani sudari čestica sa izotropnim i anizotropnim hrapavim zidovima, putem determinističkih simulacija i izvedeni su odgovarajući stoha- stički modeli za te sudare, primenljivi u Ojler-Lagranž simulacijama strujanja mešavine čestica i gasa. Nalazi se da sa porastom prilaznog ugla čestica u od- nosu na makroskopski gladak zid, dolazi do porasta standardne devijacije bočnih uglova odbijanja čestica i u slučaju izotropne i anizotropne površine. Mehani- zam višestrukih sudara čestica sa zidom ostaje nepromenjen u odnosu na 2D model za sudar čestice i zida. Izvedeni stohastički modeli se porede se raspoloživim eksperimentalnim rezultatima i determinističkim simulacijama. Izvršene su LES simulacije strujanja čistog fluida (bez prisustva disperzne faze) u horizon- talnom kanalu pravougaonog poprečnog preseka koristeći različite SGS modele: model Smagorinskog, WALE i dinamički jedno-jednačinski model. Simulacije su izvedene u programskom paketu OpenFOAM. Uticaj zidova tog kanala, različite hrapavosti, na disperznu fazu, pri strujanju mešavine gasa i čestica istražen je putem LES-DPS simulacija. Međusobni sudari čestica se izračunavaju prime- nom modela mekih sfera. Kada se ovi sudari zanemare, što bi bilo opravdano pri strujanjima sa veoma malom koncentracijom disperzne faze, nalazi se da hra- pavost zida može biti značajan mehanizam za produkciju poprečnih fluktuacije čestica. Uzimanjem u obzir međusobnih sudara čestica, dolazi do porasta popreč- nih fluktuacija brzine čestica i pokazuje se da je u pogledu ovih fluktuacija uticaj međusobnog sudara čestica veći u odnosu na uticaj hrapavosti zidova ka- nala.

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.