Titelaufnahme

Titel
Experimental and numerical analysis of high speed multiphase flows / von Zsolt Harsfalvi
VerfasserHarsfalvi, Zsolt
Begutachter / BegutachterinFriedl, Anton ; Harasek, Michael
Erschienen2015
Umfang143 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2015
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Mehrphasenströmung / Strömungsmeßtechnik / CFD
Schlagwörter (EN)Multiphase Flow / Flow measurements / CFD
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-90998 Persistent Identifier (URN)
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Experimental and numerical analysis of high speed multiphase flows [16.38 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

In dieser Arbeit wurden zwei komplexe Fälle von Hochgeschwindigkeits-Mehrphasenströmungen experimentell und mittels fluiddynamischer Simulation untersucht. Im ersten Fall geht es um die Bestimmung der Tropfengrößenverteilung bei einem Zweistoff-Zerstäuber in einem Hochofen, wo Schweröl als Ersatzreduktionsmittel verwendet wird. Nachdem die Möglichkeiten für direkte Messungen im Hochofen wegen der extremen Umgebung stark begrenzt sind, wurde eine Dimensionsanalyse durchgeführt, um ein verkleinertes Modell zu konstruieren. Somit ist es möglich, die Zerstäubung näher zu betrachten und Messungen durchzuführen. Die Messungen wurden mithilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera durchgeführt. Die Aufnahmen wurden mittels Particle Image Velocimetry ausgewertet, um die Tropfengrößenverteilung zu ermitteln. Um den Vorgang zu analysieren, wurden Modellflüssigkeiten verwendet. Dabei wurde ein weiter Bereich verschiedener Fluide (mit unterschiedlicher Dichte, Viskosität, Grenzflächen-spannung) betrachtet und unterschiedliche Tropfengrößenverteilungen festgestellt. Die Qualität der Bilder und somit die Genauigkeit der Messung bei Modellfluiden war bei niedrigen Viskositäten besser. Demzufolge war die günstigste Flüssigkeit gegenüber Paraffinöl reines Wasser und wässrige Glycerin-Lösungen. Konstante und intensive Beleuchtung der Zerstäubung ist essentiell, bei höheren Geschwindigkeiten müssen kürzere Verschlusszeiten eingestellt werden. Weitere Experimente sind erforderlich um die komplexen Phänomene beim Strahlzerfall unter Hochofenbedingungen zu analysieren. Im zweiten Fall wird eine mit Druckluft und Wasser betriebene Rakete untersucht. Mit dem Opensource Programm OpenFOAM® wurde eine CFD Berechnung durchgeführt, um die zweiphasige Hochgeschwindigkeitsausströmung bei einer Lavaldüse und einer einfachen Düse (mit größerem Innendurchmesser) zu verstehen und den Impuls beim Düsenaustritt zu berechnen. Die Ergebnisse der Berechnung dienen auch dazu, die innere Strömung in dem Raketenkörper zu analysieren. Weiteres Ziel war auch die Außenströmung bei der Rakete zu betrachten und den Widerstandskoeffizienten zu berechnen. Aus Validierungsgründen wurde eine vereinfachte analytische, numerische Berechnung für den gesamten Flug durchgeführt. Neben diesen Berechnungen stehen auch Videoaufnahmen über den Abflug für die Validierung der CFD Berechnungen zur Verfügung. Die gewonnenen Ergebnisse bzw. das Geschwindigkeitsfeld zeigen eine starke Analogie mit der Realität und passen auch überwiegend mit den numerischen Berechnungen zusammen. Neben vielen neu gewonnenen Informationen und Erkenntnissen haben die Ergebnisse auch die Vorteile der Lavaldüse gezeigt. Die bessere Effizienz wurde jedoch mit den eingestellten Anfangsbedingungen gemäß der Simulationen der einfachen Düse erreicht. Die Ergebnisse der CFD Berechnungen haben es bestätigt, dass die zweiphasige Ausströmung ein sehr komplexes Phänomen ist. Die präsentierten Ziele wurden erfolgreich erfüllt, aber um den Vorgang besser zu verstehen und die optimale Düsenform zu finden sind weitere Simulationen und/oder Messungen nötig.

Zusammenfassung (Englisch)

In this thesis two cases of high-speed multiphase flows were analyzed using experimental measurements techniques and computational fluid dynamics simulations. The first case considers the injection of fuel oil into the raceway of a blast furnace through a two-fluid lance. Because of the extreme ambient conditions direct measurements at the blast furnace are impossible, so a downscaled lab model is used for a high speed imaging analysis of the droplet break up. Data from the lab measurements are the basis for deriving a general correlation for the droplet size distribution. To investigate the behavior of the process, variations of the atomization settings using different model fluids like ethanol, water, paraffin oil, and different solutions of water and glycerol were used. Due to the various model fluids the investigated interval of viscosity, and other fluid properties was larger than in any other previous measurements. After the image analysis the Sauter Mean Diameter (SMD) was calculated for each distribution function and also a comparison of the functions was achieved. The data processing of the high speed video recordings was only partly successful because of the unforeseen measurement difficulties especially in the high viscosity regions. Therefore the most favorable model fluid was pure water, followed by the solutions of water and glycerol due to the lower viscosity. The investigation proved that the image analysis is an effective way to find out the SMD and the distribution functions. But for more accurate measurements, also in case of lower or higher viscosities where the values of the dimensionless numbers are closer to the real blast furnace application, the modification and improvement of the measurement system is indispensable. The further understanding of the process is needed for the improvement of the atomization process in the real blast furnace. The second case will deal with a pressurized air - water rocket. Using CFD simulation - with the open source program OpenFOAM® - a two phase high speed outflow for two different nozzle geometries was analyzed. The results of the simulations are serving for the understanding of the flow inside the rocket chamber and also to calculate the generated momentum at the nozzle exit. In this way, the functioning of a Laval and a simple nozzle (with a larger inner diameter) can be analyzed and compared. The investigation includes a one phase stationer simulation to determine the rocket-s drag coefficient. As validation the two phase outflow was calculated analytically and numerically in a simplified way. For further validation also video recordings were available to compare the behavior of the outflow. According to the preparative numerical calculations and the video recordings the simulation results were positive because they showed a strong analogy with the reality. Besides of the large amount of new information the results showed the advantages of the Laval against the simple nozzle. Irrespectively of this result using the presented initial conditions the simple nozzle achieved a better efficiency because of the larger inner diameter. The results also helped to understand the behavior of the two phase flow inside the rocket chamber.