An improved CFD-DEM framework for gas-liquid-solid multiphase free surface flow

Gas-Flüssig-Fest-Mehrphasensysteme sind in technischen Anwendungen allgegenwärtig, z. B. beim direkten Tintenstrahldruck, der Sprühtrocknung und der Sprühbeschichtung. Der direkte Tintenstrahldruck ist eine vielversprechende additive Fertigungstechnologie für die Herstellung temperaturempfindlicher Bauteile. Allerdings leiden tintenstrahlgedruckte Strukturen unter dem so genannten „Kaffeering-Effekt“ oder „Kaffeefleck-Effekt“, der zu einem ringförmigen Abscheidungsmuster führt, bei dem mehr Material um den Rand herum abgeschieden wird, aber viel weniger Material im Inneren des gedruckten Tintenrings übrig bleibt. Das Verständnis der physikalischen Zusammenhänge beim Verdampfen von mit Tintenstrahldruckern gedruckten Tröpfchen mit vielen suspendierten Feststoffpartikeln im Inneren hilft, den Coffee-Ring-Effekt zu unterdrücken und gleichmäßigere Materialabscheidungsmuster zu gewährleisten. Dementsprechend ist die Entwicklung eines numerischen Rahmens für die Modellierung des Mehrphasensystems Gas-Flüssigkeit-Feststoff mit Verdampfung von großer Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit wird ein verbessertes CFD-DEM (Computational Fluid Dynamics-Discrete Element Method)-Kopplungssystem vorgeschlagen und entwickelt, um das Mehrphasensystem Gas-Flüssigkeit-Feststoff mit und ohne Verdampfung zu modellieren. Für die Modellierung eines solchen Mehrphasensystems, in dem die Oberflächenspannung dominiert, müssen einige grundlegende wissenschaftliche Probleme angegangen werden: Partikeltransport und-akkumulation, Oberflächenspannung und Erfassen der freien Oberfläche, Tröpfchenbenetzung und Verdampfung, Kontaktlinien-Pinning, Partikel-Fluid-Wechse- lwirkungen usw. Die DEM wird eingesetzt, um die Trajektorie von Feststoffpartikeln zu verfolgen, und CFD wird verwendet, um Oberflächenspannung, Verdunstung, Kontaktlinien-Pinning usw. zu modellieren. Darüber hinaus wird die Kopplung von CFD und DEM eingesetzt, um die komplexen Partikel-Flüssigkeits-Wechselwirkungen zu berechnen. Auf der DEM-Seite wird die konventionelle DEM erweitert, um mikroskopisch kleine Partikel zu modellieren. Die berührungslosen Oberflächenkräfte, z.B. Van-der-Waals-, elektrostatische und Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek-(DLVO)-Kräfte, sowie ein durch Brownsche Bewegung induziertes Zufallskraftmodell werden in den Open-Source DEM-Code LIGGGHTS implementiert. Ausführliche numerische Validierungen zeigen, dass diese neu implementierten Kraftmodelle sowohl berührungslose als auch zufällige Kräfte mit recht guter numerischer Genauigkeit vorhersagen können. Auf der CFD-Seite wird das verbesserte Coupled Level Set and Volume of Fluid (i-CLSVoF)-Framework entwickelt und in die Open-Source-C++-Bibliothek OpenFOAM implementiert, um die oberflächenspannungsdominierte Strömung zu modellieren. Das i-CLSVoF-Framework kann scharfe freie Oberflächen mit wenig Grenzflächendiffusion erfassen. Das in i-CLSVoF implementierte verbesserte Modell der Oberflächenspannungskraft kann diese genauer vorhersagen und bietet eine Unterdrückung unphysikalischer Störgeschwindigkeiten. Drei Verdunstungsmodelle wurden in i-CSLVoF implementiert, um die Verdunstung der flüssigen Phase zu modellieren. Numerische Validierungen zeigen, dass diese Verdunstungsmodelle den Phasenübergang von Flüssigkeit zu Gas genau modellieren können. Darüber hinaus ist ein Kontaktlinien-Pinning-Modell integriert, um die Tröpfchenverdampfung mit einem konstanten Kontaktradius zu beschreiben. Der sogenannte aufgelöste CFD-DEM-Ansatz stellt die Wechselwirkungen zwischen kontinuierlichen flüssigen und diskreten festen Phasen in ortsaufgelöster Form dar. Ein in dieser Arbeit entwickeltes verbessertes aufgelöstes CFD-DEM-Modell ist in der Lage, die mehrphasige freie Oberflächenströmung zwischen Gas, Flüssigkeit und Feststoff mit und ohne Verdampfung der flüssigen Phase zu modellieren. Der i-CLSVoF-Rahmen wird verwendet, um den Oberflächenspannungseffekt zu modellieren und die scharfe freie Oberfläche zu erfassen. Ein verbessertes Kapillarkraftmodell wird entwickelt, um die Kapillarinteraktionen für teilweise schwimmende Feststoffteilchen an einer freien Oberfläche zu berechnen. Zur Validierung des aufgelösten CFD-DEM-Modells werden zwei bekannte Vergleichsfälle durchgeführt, nämlich die Berechnung des Widerstandsbeiwert und das Absinken einer einzelnen Kugel. Es zeigt sich, dass das in dieser Arbeit entwickelte aufgelöste CFD-DEM-Modell die Fluid-Feststoff-Wechselwirkungen genau berechnen und die Trajektorie von Feststoffpartikeln, die mit der flüssigen Phase wechselwirken, vorhersagen kann. Numerische Demonstrationen, z.B. zwei Partikel, die sich entlang einer freien Oberfläche bewegen, wenn die flüssige Phase verdampft, sowie Partikeltransport und -ansammlungen innerhalb eines verdampfenden Tropfens auf einem Substrat zeigen die Leistungsfähigkeit des aufgelösten Berechnungswerkzeugs bei der Modellierung komplexer Partikel-Flüssigkeits-Wechselwirkungen. Der aufgelöste CFD-DEM-Ansatz löst die Strömungsfelder um Feststoffpartikel genau auf, ist aber rechenintensiv. Daher eignet er sich nur für die rechnerische Modellierung eines Mehrphasensystems mit einer begrenzten Anzahl von Partikeln (weniger als 1000). Daher wird in dieser Arbeit ein sogenanntes unaufgelöstes CFD-DEM-Modell weiterentwickelt. In dem unaufgelösten CFD-DEM-Modell enthält jede CFD-Zelle mehrere Feststoffteilchen und kann somit zur Untersuchung des globalen Verhaltens vieler Feststoffteilchen (bis zu $10^{6}$) verwendet werden. Ein neues Widerstandskraftmodell mit einem korrigierten Widerstandsbeiwert, der mit umfangreichen experimentellen Daten gut übereinstimmt, wurde implementiert. Dieses Widerstandskraftmodell ist über einen weiten Bereich der Reynoldszahl ($10^{-4} - 10^{6}$) anwendbar. Zur Validierung des Widerstandskraftmodells und des unaufgelösten CFD-DEM-Ansatzes wurden umfangreiche numerische Validierungen durchgeführt. Ein 3D-Dammbruch-Benchmark-Fall zeigt, dass das unaufgelöste CFD-DEM-Modell die Vier-Wege-Kopplung zwischen der festen und der flüssigen Phase mit etwa $4000$ Feststoffpartikeln realisieren kann. Der Vergleich zwischen numerischen Simulationen und den entsprechenden experimentellen Studien beweist, die Genauigkeit des unaufgelösten CFD-DEM-Modells

Pore-scale modeling of phase change in porous media

The combination of high-resolution visualization techniques and pore-scale flow modeling is a powerful tool used to understand multiphase flow mechanisms in porous media and their impact on reservoir-scale processes. One of the main open challenges in pore-scale modeling is the direct simulation of flows involving multicomponent mixtures with complex phase behavior. Reservoir fluid mixtures are often described through cubic equations of state, which makes diffuse-interface, or phase-field, theories particularly appealing as a modeling framework. What is still unclear is whether equation-of-state-driven diffuse-interface models can adequately describe processes where surface tension and wetting phenomena play important roles. Here we present a diffuse-interface model of single-component two-phase flow (a van der Waals fluid) in a porous medium under different wetting conditions. We propose a simplified Darcy-Korteweg model that is appropriate to describe flow in a Hele-Shaw cell or a micromodel, with a gap-averaged velocity. We study the ability of the diffuse-interface model to capture capillary pressure and the dynamics of vaporization-condensation fronts and show that the model reproduces pressure fluctuations that emerge from abrupt interface displacements (Haines jumps) and from the breakup of wetting films

Direct Numerical Simulations of Flows with Phase Change

AbstractDirect Numerical Simulations (DNS) of multiphase flows, where every continuum length and time scale are fully resolved, currently allow us to simulate flows of considerable complexity, such as the motion of several hundred bubbles or drops in turbulent flows, for sufficiently long time so that meaningful statistical quantities can be obtained. Additional physical processes such as heat transfer and phase change have also been included, although only for relatively small systems so far. After reviewing briefly recent studies of bubbles in turbulent channel flows, we discuss simulations of flows with phase change, focusing on bubble generation by boiling. The addition of new physics often results in new length and time scales that are shorter and faster than the dominant flow scales. Similarly, very small features such as thin films, filaments, and drops can also arise during coalescence and breakup of fluid blobs. The geometry of these features is usually simple, since surface tension effects are strong and inertia effects are relatively small and in isolation these features are often well described by analytical or semi-analytical models. Recent efforts to embed analytical and semi-analytical models to capture such features, in combination with direct numerical simulations of the rest of the flow, are discussed. We conclude by a short discussion of the use of DNS data for closure laws for model equations for the large scale flow

Mechanistic modeling of evaporating thin liquid film instability on a bwr fuel rod with parallel and cross vapor flow

This work has been aimed at developing a mechanistic, transient, 3-D numerical model to predict the behavior of an evaporating thin liquid film on a non-uniformly heated cylindrical rod with simultaneous parallel and cross flow of vapor. Interest in this problem has been motivated by the fact that the liquid film on a full-length boiling water reactor fuel rod may experience significant axial and azimuthal heat flux gradients and cross flow due to variations in the thermal-hydraulic conditions in surrounding subchannels caused by proximity to inserted control blade tip and/or the top of part-length fuel rods. Such heat flux gradients coupled with localized cross flow may cause the liquid film on the fuel rod surface to rupture, thereby forming a dry hot spot. These localized dryout phenomena can not be accurately predicted by traditional subchannel analysis methods in conjunction with empirical dryout correlations. To this end, a numerical model based on the Level Contour Reconstruction Method was developed. The Standard k- turbulence model is included. A cylindrical coordinate system has been used to enhance the resolution of the Level Contour Reconstruction Model. Satisfactory agreement has been achieved between the model predictions and experimental data. A model of this type is necessary to supplement current state-of-the-art BWR core thermal-hydraulic design methods based on subchannel analysis techniques coupled with empirical dry out correlations. In essence, such a model would provide the core designer with a "magnifying glass" by which the behavior of the liquid film at specific locations within the core (specific axial node on specific location within a specific bundle in the subchannel analysis model) can be closely examined. A tool of this type would allow the designer to examine the effectiveness of possible design changes and/or modified control strategies to prevent conditions leading to localized film instability and possible fuel failure.Ph.D.Committee Chair: Abdel-Khalik, Said; Committee Member: Ammar, Mostafa H.; Committee Member: Ghiaasiaan, S. Mostafa; Committee Member: Hertel, Nolan E.; Committee Member: Liu, Yingji

Unstructured Level-Set Method For Saturated Liquid-Vapor Phase Change

A novel conservative level-set method for saturated liquid-vapor phase change on unstruc-tured meshes is introduced. Transport equations are discretized by the finite-volume method on col-located unstructured grids. Mass transfer promoted by thermal phase change is computed using theenergy jump condition at the interface, as a function of the temperature gradient. The fractional-stepprojection method is used for solving the pressure-velocity coupling, convective terms are discretized byunstructured flux-limiter schemes, central difference scheme is used for discretization of diffusive terms.Verification and validation cases have been undertaken to prove the accuracy and robustness of the nu-merical methods, including simulation of the Stefan problem, and film boiling on a cylindrical surface.Excellent agreement between numerical solutions against analytical solution and empirical correlationsfrom the literature is reported.Peer ReviewedPostprint (published version