Flow with small solid particles or droplets has recently received considerable attention for its relevance to numerous industrial processes, engineering applications and environmental flows. However, researchers have focused mainly on isothermal particle-laden flows. Experiments and numerical computations using Direct Numerical Simulations demonstrate that isothermal shear flow has a very complex effect on particle behavior. Due to particle-turbulence interaction, the distribution of particles and their properties (e.g., velocity) can be highly non-uniform. This non-uniformity can have very important consequences on the process – for example, affecting the efficiency of the chemical reaction or the properties of the mixtures. This work thoroughly investigates the dynamics of small heavy inertial particles in non-isothermal turbulent fully developed channel flow. The cases presented are representative of a large family of phenomena known in the literature as multiphase flows, which contain both continuous phase and dispersed phase.
Wielofazowe przepływy turbulentne, w których poza fazą ciągłą występuje również faza stała w formie małych cząstek, skupiają ostatnio znaczną uwagę ośrodków naukowych, ponieważ przepływy te występują powszechnie zarówno w procesach technologicznych, jak i w przyrodzie. Wobec złożoności zjawisk zachodzących w takich przepływach do niedawna większość badań nad przepływami wielofazowymi dotyczyła przepływów izotermicznych. Jak pokazują prowadzone badania eksperymentalne, jak również symulacje komputerowe z wykorzystaniem techniki Direct Numerical Simulation (DNS) dotyczące przepływów izotermicznych, przepływ turbulentny oddziałuje na cząstki w sposób złożony. W wyniku działania różnorodnych sił położenie cząstek w przepływie, a także rozkład prędkości tworzą pola niejednorodne i dalece odbiegające od rozkładu normalnego. Taka nierównomierność rozmieszczenia cząstek w przepływie może mieć znaczący wpływ na przebieg oraz efektywność procesów. W przedstawionej pracy analizowany jest dwufazowy w pełni rozwinięty hydrodynamicznie i termicznie przepływ turbulentny. Analizowane przypadki są reprezentatywne dla dużej kategorii przepływów sklasyfikowanych w literaturze jako przepływy dwufazowe z fazą dyspersyjną.
Wydawnictwa nie prowadzą sprzedaży książek z serii "Rozprawy Monografie". Zainteresowanych prosimy o kontakt z ich autorami.
- Spis treści
-
Summary 7
Streszczenie 10
Nomenclature 13
Chapter 1. Introduction 15
1.1. Motivation 15
1.2. Classification of two-phase flows 18
1.3. Phase coupling 19
1.4. Relevant parameters 21
Chapter 2. Fluid-particle interaction 31
2.1. Steady flow 31
2.2. Forces in non-uniform flow field 36
2.3. Forces in non-stationary flow field 37
2.4. Lift forces 38
2.5. Equation for particle motion 40
2.6. Energy coupling 42
2.7. Additional effects 43
2.8. Equation for particle temperature 44
Chapter 3. Fluid flow model 47
3.1. Equations for fluid motion 49
3.2. Equation for fluid temperature 51
3.3. The dimensionless form of the governing equations for continuous phase 51
3.4. Model equations for channel flow 52
Chapter 4. Numerical model 56
4.1. Problem formulation 56
4.2. Lagrangian particle tracking procedure 59
4.3. Parallelization and technical data 61
4.4. Summary of simulations 64
Chapter 5. Flow field analysis 66
5.1. Introduction 66
5.2. Results for the flow field 68
5.3. Results for thermal field 77
Chapter 6. Particle results 83
6.1. Introduction 83
6.2. Particle time evolution 84
6.3. Particle drift dispersion 87
6.4. Flow structures 90
6.5. Particle instantaneous velocity and temperature 97
6.6. Particle mean velocity 111
6.7. Particle mean slip velocity 113
6.8. Particle velocity fluctuation 116
6.9. Particle velocity distribution 120
6.10. Particle concentration 122
6.11. Particle temperature and its fluctuation 125
6.12. Particle mean turbulent heat fluxes 135
6.13. Energy spectra 141
6.14. Mean velocity and its fluctuation at Reτ = 395 144
6.15. Mean temperature and turbulent heat flux at Reτ = 395 153
6.16. Particle mean temperature distribution at Reτ = 395 155
6.17. Particle temperature fluctuation 157
6.18. Particle mean force component 163
Conclusions 165
Bibliography 169