Untersuchung und Modellierung von Turbulenzerscheinungenin Blasensäulen

Gegenstand des Forschungsvorhabens ist die Analyse und Modellierung von Turbulenzerscheinungen in Blasenströmungen am Beispiel der Blasensäule. In diesem in der chemischen Industrie weit verbreiteten Apparat wird die Fluidströmung und die Turbulenz allein durch den Blasenaufstieg induziert. Für die geplante Entwicklung eines numerischen Berechnungsverfahrens, welches auf den zeitgemittelten Navier-Stokes Gleichungen in Verbindung mit dem k-epsilon Turbulenzmodell basiert, ist es daher erforderlich, entsprechende Quellterme in die Erhaltungsgleichungen der fluiden Phase einzuführen, um die Beeinflussung der Fluidphase durch die Blasen erfassen zu können. Besonders die durch den Blasenaufstieg induzierte Turbulenz ist bisher unzureichend verstanden, und daher liegen wenig Erkenntnisse über die Modellierung dieses Effektes in den Erhaltungsgleichungen für die turbulente kinetische Energie k und deren Dissipationsrate epsilon vor. Hierauf soll der Schwerpunkt des Forschungsvorhabens liegen, und es ist vorgesehen, geeignete Quellterme zu entwickeln, um die blaseninduzierte Turbulenz modellieren zu können. Um dies zu ermöglichen, sollen direkte numerische Simulationen der Bewegung von Blasenschwärmen basierend auf der zeitabhängigen Lösung der dreidimensionalen Navier-Stokes Gleichungen und einem Tracking-Algorithmus zur Berechnung der Bewegung der Blasenkonturen durchgeführt werden. Zur Überprüfung der direkten numerischen Simulationen und zur Validierung der Modellierung der Quellterme in den Gleichungen für die turbulente kinetische Energie und deren Dissipationsrate sollen weiterhin experimentelle Untersuchungen in einer Blasensäule mit Hilfe der Particle-Image Velocimetry (PIV) und der Phasen-Doppler Anemometrie durchgeführt werden. Die gesamten Untersuchungen sollen sich zunächst auf eine feinblasige Begasung mit geringen Gasgehalten konzentrieren.

The analysis and modelling of turbulence in bubbly flows using the bubble column as an example is subject of this research project. The fluid flow and the turbulence in this widespread apparatus is induced only by the bubble rising. That`s why it is necessary for the planned development of a numerical calculation approach basing on the time averaged Navier-Stokes equations in connection with the k-epsilon turbulence model to introduce appropriate source terms into the conservation equations of the fluid phase to comprehend the influence of the bubbles on the fluid phase. Especially the turbulence induced by the bubble rising is not well understood up to now and that`s the reason why only little knowledge about the modelling of this effect in the conservation equations for the turbulent kinetic energy k and its dissipation epsilon is available. This is the emphasis of the research project and it is planned to develop suitable source terms for the modelling of bubble induced turbulence. Making this possible direct numerical simulations of the motion of bubble swarms basing on the time dependent solution of the three dimensional Navier-Stokes equations and a tracking algorithm should be used for the calculation of the motion of bubble contours. Besides, experimental investigations of a bubble column by means of Particle-Image Velocimetry (PIV) and phase-Doppler anemometry should be carried out to check the direct numerical simulations and to validate the modelling of the source terms of the equations for the turbulent kinetic energy and its dissipation. First of all, the investigations should be focussed on the aeration with fine bubbles and low gas contents.