Modeling and simulation of dispersed two-phase flow transport phenomena in electrochemical processes [Elektronische Ressource] / vorgelegt von: Thomas Nierhaus

Nierhaus

Informations

• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 22
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

Modeling and Simulation of Dispersed
Two-Phase Flow Transport Phenomena
in Electrochemical Processes
Von der Fakultat fur Maschinenwesen der¨ ¨
Rheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule Aachen zur¨
Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der
Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von:
Dipl.-Ing. Thomas Nierhaus
Berichter:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder
Prof. Dr. Ir. Johan Deconinck
Tag der mundlichen Prufung: 15. Oktober 2009¨ ¨
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten
der Hochschulbibliothek online verfu¨gbar.This doctoral thesis is published in the context of a partnership
agreement governing the joint supervision and awarding of a
doctorate diploma between
Rheinisch-Westfa¨lische Technische Hochschule Aachen
and
Vrije Universiteit Brussel
The according contract is dated January 19, 2009.Abstract
Modeling the physics of two-phase flows and the development of numerical tools for
their simulation are important challenges in modern CFD. Contrary to single-phase
flows, where the underlying physics is quite well understood and relatively general
numerical methods can be employed in flow simulations, the physical phenomena
occurring in two-phase flows are far more versatile and still not fundamentally un-
derstood in all details. The difficulties in multiphase flow modeling arise from large
dissimilarities between different types of flow configurations and the complex flow
conditions associated. Various modeling approaches and numerical methods have
been derived and applied in this scope during the last decades. This process lead
to the conclusion that the applicability of a particular modeling approach strongly
depends on the type of two-phase flow configuration involved. In other words, to
pick an adequate numerical approach to simulate a particular two-phase flow prob-
lem on a computer, it is required to carefully identify the underlying physics before
selecting a solution method.
This Ph.D. thesis deals with modeling and simulation of dispersed two phase
flows. Such flows involve a continuous carrier medium that contains small dispersed
particles or bubbles. In terms of material properties and states of matter involved,
gaseous flows involving solid particles differ significantly from liquid flows involving
gas bubbles. However, if we regard the physical topologies of these two types of
two-phase flow, we see that there are also very high similarities. In dispersed flows,
the secondary phase is scattered into small entities in a continuous primary phase
flow. The phase interfaces in dispersed two-phase flows are very small compared to
the the global scale of the flow problem of interest. These circumstances lead to the
conclusion that dispersed two-phase flows, regardless of their physical parameters,
can generally be treated by a unified modeling approach, where only the modeling
parameters distinguish the sub-type of the flow, may it be of particle-laden or bub-
bly nature.
A promising model to provide a numerical solution to incorporate different types
of dispersed two-phase flows is the Eulerian-Lagrangian appro ach. In the present
work, thedevelopmentofanintegratednumericaltoolforthesimulationofparticle-
laden and bubbly two-phase flows based on this approach is documented. The large
similaritiesbutalsothedifferencesbetweenparticle-ladenandbubblyflowsareiden-
tifiedandtakenintoaccountinthesimulationscarriedoutinthescopeofthiswork.
iAbstract
Various simulation examples to validate the simulation software are given for both
flow sub-types.
A further challenge in nowadays CFD is the integration of combined simulation
approaches that allow to track different physical and even chemical mechanisms. A
frequently referred key word concerning such ambitious intentions is multi-physics.
A topical numerical application of a multi-physical problem is the combination of
dispersedtwo-phaseflowwithelectrochemicalphenomenasuchasiontransportand
reaction kinetics. In nowadays literature, broad spectra of models exist to simu-
late two-phase flow and electrochemistry separately, while an integrated approach
taking into account the coupling and interaction of both phenomena has not been
addressed in great detail so far.
In the present Ph.D. thesis, an approach for the numerical modeling of bub-
bly two-phase flow combined with ion transport and gas-producing electrochemical
reactions is carried out. The fluid flow part of the problem is addressed by the
Eulerian-Lagrangian approach while the electrochemistry is taken into account by
the Multi Ion Transport and Reaction Model (MITReM). An integrated numerical
method combining those two building blocks allows to take into account coupling
effects, such as the influence of the gas phase on the conductivity of a liquid elec-
trolyte and the current density field as well as the conversion of a gas flux into a
set of bubbles on a gas-producing electrode. This approach is found promising and
comprises a set of novelties regarding multi-physics simulations.
iiZusammenfassung
Die Modellierung sowie die Entwicklung numerischer Methoden zur computerge-
stu¨tzten Simulation von Zweiphasenstro¨mungen sind von großer Bedeutung in der
heutigen CFD. Im Gegensatz zu Einphasenstromungen, bei denen die physikalis-¨
chenGrundlagenweitestgehenderforschtsindundzuderenSimulationeineVielzahl
numerischer Methoden existiert, liegen Zweiphasenstromungen weitaus komplexere¨
physikalische Zusammenh¨ange zugrunde, welche noch nicht vollends erforscht sind.
Die Schwierigkeit in der Modellierung von Zweiphasenstromungen liegt in der Viel-¨
zahlvonauftretendenStr¨omungskonfigurationen,zuderenSimulationindenletzten
JahrzehnteneingroßerFundusannumerischenMethodenentwickeltwurde. Ausder
Analyse dieser Entwicklung l¨aßt sich schlussfolgern, dass die Anwendbarkeit einer
bestimmten numerischen Methode stark von der Str¨omungskonfiguration abha¨ngig
ist. Grundsatzlich gilt, dass eine umfassende Analyse des zugerundeliegenden Stro-¨ ¨
mungsproblems unabdingbar fu¨r die Wahl der Simulationsmethode ist.
DievorliegendeArbeitbehandeltdieModellierungundSimulationdisperserZwei-
phasenstromungen. DieseArtvonStromungzeichnetsichdurcheinekontinuierliche¨ ¨
Tra¨gerphase aus, die disperse Partikel oder Bl¨aschen beinhaltet. In der Anwendung
unterscheiden sich Partikelstro¨mungen zwar grundlegend von Bl¨aschenstro¨mungen,
¨jedoch lassen sich bezuglich der Stromungskonfiguration viele Ahnlichkeiten fest-¨ ¨
stellen. Bei beiden Stro¨mungstypen ist die Sekund¨arphase auf kleine Entit¨aten in
der Primarphase verteilt. Die Phasengrenzen sind klein und kommen nur lokal vor.¨
DereinzigeUnterschiedbestehtfolglichindenunterschiedlichenAggregatzusta¨nden
und Materialeigenschaften der Phasen. Dieser Umstand laßt die Schlussfolgerung¨
zu, dass sich beide Stro¨mungstypen grundsa¨tzlich mit derselben numerischen Meth-
ode simulieren lassen. Die Modellierungsparameter bestimmen dabei den Typ der
Zweiphasenstro¨mung.
Der in dieser Arbeit verwendete Ansatz zur Simulation verschiedener Typen dis-
perser Zweiphasenstro¨mungen ist die Euler-Lagrange-Methode. Die Arbeit doku-
mentiertdieEntwicklungeinesnumerischenWerkzeugszurSimulationvonPartikel-
und Bla¨schenstro¨mungen und zeigt die Gemeinsamkeiten sowie die Unterschiede
dieserbeidenStromungstypenauf. DiegrundlegendenphysikalischenZusammenhange¨ ¨
werdendurchzahlreicheSimulationsbeispieleveranschaulicht,welchedaru¨berhinaus
zur Validierung der im Rahmen der Arbeit entwickelten Modellierungssoftware di-
enen.
iiiZusammenfassung
Eine weitere große Herausforderung in der heutigen CFD ist die Integration ver-
schiedener Simulationstechniken, um komplexe Probleme, welche verschiedene phy-
sikalischeundchemischeAspektebeinhalten,numerischzulo¨sen. Einheutzutageoft
referenziertesSchlusselwortindiesemZusammenhangistMulti-physics. EinBeispiel¨
fu¨r eine solche komplexe Problemstellung ist die Kombination einer Zweiphasen-
stromung mit einem elektrochemischen Prozess, in dem Ionentransport und Reak-¨
tionskinetik eine Rolle spielen. In der heutigen wissenschaftichen Literatur findet
sicheineVielzahlvonModellenzurSimulationvonZweiphasenstro¨mungenundelek-
trochemischen Prozessen, doch nur wenige pramature Ansatze, welche diese beiden¨ ¨
Pha¨nomene in einem integrierten Rechenverfahren miteinander koppeln.
Die vorliegende Arbeit beschreibt einen Ansatz zur Modellierung und integrierten
Simulation von Blaschenstromungen, Ionentransport und gaserzeugunden elektro-¨ ¨
chemischen Reaktionen. Dabei wird die Zweiphasenstro¨mung wie beschrieben mit
der Euler-Lagrange-Methode simuliert, wahrend die elektrochemischen Parameter¨
mit dem Multi Ion Transport and Reaction Model (MITReM) berechnet werden.
DiesresultiertineinemintegriertennumerischenAnsatz, dereserlaubt, auftretende
Kopplungen zwischen Zweiphasenstromung und elektrochemischen Phanomenen zu¨ ¨
simulieren. Beispiele fu¨r solche Kopplungen sind der Einfluss der Gasphase auf die
elektrische Leitfahigkeit eines Elektolyts sowie das Stromdichtefeld, oder der Um-¨
satz eines an einer Elektrode