CFD-Simulation des Strömungsfelds im T-Mischer mit anschließender Fluidbahnberechnung nach dem Lagrange-Ansatz

Studienarbeit von Lyonel Ehrl

Zusammenfassung:

Im Rahmen dieser Semesterarbeit wurde sowohl das Strömungsfeld als auch der Verlauf repräsentativer Fluidbahnen nach dem Ansatz von Lagrange in einem T-Mischer simuliert. Dabei wurde das CFD-Software-Packet CFX-4.4 verwendet. Hintergrund ist die Erweiterung eines Modells zur Berechnung der Partikelgrößenverteilung über Populationsbilanzen. Ist im bisherigen Modell der Leistungseintrag und der Volumenanteil als konstant über das Mischervolumen angenommen, so soll im neuen Modell der Einfluss der Abhängigkeit des Leistungseintrags vom Ort als auch das bisher vernachlässigte Makromischen berücksichtigt werden. Die untersuchten Volumenströme reichen von 0,2ml/s bis 10ml/s. Zur Berechnung des Strömungsfeldes wurde ein low Reynolds number k-epsilon-Modell verwendet, da es als einziges Modell die Vorgaben für den y-plus-Wert, in Verbindung mit einer sinnvollen Gitterstruktur, erfüllt. Während man im unteren Bereich die Rechnungsdaten der Strömungsfeldsimulation sehr gut mit gemessenen Druckverlustwerten validieren kann, weichen sie im oberen Bereich um ca. 30% von den Messwerten ab. Der Grund für dieses Abweichen sind evtl. die Vorgaben für den Richtwert y-plus. Sie können für hohe Volumenströme nicht mehr exakt erfüllt werden, da das verwendete Turbulenzmodell hier an seine Grenzen stößt.

Neben der Bestätigung der Simulationsergebnisse durch Validierung der y-plus-Werte und dem Vergleich der berechneten mit den experimentellen Druckverlustwerten, sowie durch konvergente Residuenverläufe erfüllen die Simulationsergebnisse auch die Bedingungen der Symmetrieerhaltung. Sie belegen für alle Volumenströme die Ausbildung eines Strudels im oberen Teil des Mischer. Der spezifische Leistungseintrag tritt an den Stellen mit größter Scherung, dort wo das zuströmende Fluid auf den Strudel trifft, auf.

Die erhaltenen Strömungsfelder sind die Grundlage der nachgeschalteten Fluidbahnberechnung. Hierbei werden mit einem Modell für masselose Partikel Fluidbahnen berechnet und die relevanten Strömungsgrößen entlang dieser Bahnen ausgegeben. Zur Berücksichtigung turbulenter Schwankungen der Strömung und damit unterschiedlicher Bahnen bei gleicher Startposition wurde das Modell TURBULENT DISPERSION eingesetzt. Die Verläufe der Strömungsgrößen epsilon und VOLUMENANTEIL entlang der berechneten Fluidelementbahnen unterscheiden sich daher von Bahn zu Bahn deutlich, so dass eine deutliche Verbesserung der Simulation der Partikelgrößenverteilung erwartet werden darf.

Nach einem einleitendenden theoretischen Teil über die Beschreibung turbulenter Strömungen im Allgemeinen wird auf die Geometrieerzeugung, die Erzeugung und den Umgang des in CFX-4.4 notwendigen COMMAND-FILEs und der einzelnen USER FORTRAN Routinen eingegangen. Danach wird sich mit der Wahl des Turbulenzmodells, welche für jegliches Strömungsproblem einen kritischen Punkt darstellt, auseinandergesetzt, und die oft damit verbundene Anpassung des Gitternetzes behandelt. Inhalt des letzten Kapitels ist die Berechnung der Fluidbahnen und die in CFX-4.4 mehr oder weniger diffizile Ausgabe – abhängig von ihrer Art – der Strömungsgrößen entlang der Fluidbahnen. Das verwendete COMMAND-FILE sowie die entsprechenden USER FORTRAN Routinen werden ausführlich besprochen und ihre Anwendung anschaulich dokumentiert.

Keywords: CFD T-Mischer; y-plus-Wert; RS-Modell; low Reynolds number k-epsilon-Modell; Partikelbahnen.

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