Razvoj numeričkih modela u području filma kapljevine na stjenci i Lagrangeovog spreja

Baleta, Jakov (2016) Razvoj numeričkih modela u području filma kapljevine na stjenci i Lagrangeovog spreja. = Development of numerical models within the liquid film and Lagrangian spray framework. Doctoral thesis , Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje, UNSPECIFIED. Mentor: Duić, Neven.

Preview

Text Baleta_2016_doktorski.pdf - Published Version Jezik dokumenta:English Download (3MB) | Preview

Abstract (Croatian)

Strujanje filmova kapljevine na stjenci uzrokovano smičnim naprezanjem, kojega vrši vanjska struja zraka, je fizikalni fenomen koji se susreće u velikom broju inženjerskih aplikacija poput: gorionika, kiše na prozorima vozila i krilima zrakoplova, raketnih mlaznica, eliminatora kapljica, prijenosnika topline, lopatica plinskih turbina i, pogotovo motora s unutarnjim izgaranjem. Naime, filmovi kapljevine utječu na kemijski sastav plinske faze i termičko ponašanje stijenki tih sustava. Cilj ovog istraživanja je daljnje poboljšanje Eulerovog modela filma kapljevine na stjenci kroz razvoj i implementaciju numeričkih modela s konačnom svrhom postizanja točnijih i računalno efikasnijih kalkulacija. Hipoteza istraživanja je da će poboljšani, prilagođeni i novo razvijeni numerički modeli omogućiti numeričke simulacije višekomponentnih filmova na stjenci te da se isti mogu koristiti u industrijskim primjenama. Prva zadaća je bila prilagodba i implementacija poluempirijskog modela otkidanja filma u numeričko okruženje računalne dinamike fluida (RDF), kao i sedmostepenog reakcijskog mehanizma za modeliranje procesa selektivne nekatalitičke redukcije. Nadalje, razvijena su dva modela višekomponentnog isparavanja filmova kapljevine na bazi analogije između prijenosa mase i količine gibanja te modificiranih zidnih funkcija koje uzimaju u obzir utjecaj isparavanja filma na granični sloj iznad filma. Specifičan znanstveni doprinos predstavlja implementacija UNIFAC metode za izračun aktivacijskih koeficijenata, koja je po prvi puta primijenjena u području filmova kapljevine na stjenci. Konačno, pogodni kinetički model termalne dekompozicije uree je prilagođen i implementiran u postojeći numerički okvir, kao korak u procesu opisivanja utjecaja depozita uree na domenu čitavog sustava obrade ispušnih plinova. Razvijeni matematički modeli su implementirani upotrebom korisničkih funkcija u programskom jeziku FORTRAN koje su povezane s glavnim rješavačem komercijalnog računalnog RDF paketa Fire. Povezivanje između filma kapljevine i plinovite faze ostvaruje se kroz izvorske članove u jednadžbama održanja mase, energije, kemijskih vrsta i količine gibanja. Konačni cilj bio je dobiti rezultate svih relevantnih kemijskih i fizikalnih fenomena koji će biti zadovoljavajući, kako na kvalitativnoj, tako i kvantitativnoj bazi. Točnost numeričkog modeliranja utvrđena je usporedbom s dostupnim i relevantnim eksperimentalnim podacima gdje god je to bilo moguće. Rezultati pokazuju zadovoljavajuće slaganje s eksperimentima i potiču buduću primjenu implementiranih modela u industrijskim primjenama.

Abstract

Liquid film flow sheared by an external air flow field is a physical phenomenon encountered in many engineering applications such as: burners, rain on vehicle windows and aircraft wings, rocket nozzles, mist eliminators, heat exchangers, steam turbine blades and especially internal combustion (IC) engines. Specifically, liquid wall films affect chemical composition of the gas phase and wall thermal behaviour of these systems. The goal of this research is additional improvement of the Eulerian liquid wall film model through further development and implementation of numerical models with the ultimate aim of achieving more accurate and computationally efficient calculations. The research hypothesis is that improved, adopted and newly developed numerical models are going to enable numerical simulations of multicomponent liquid wall films, and that they could be then used in industrial applications. The first objective was adaptation and implementation of semi-empirical wall film rupturing model to the numerical computational fluid dynamics (CFD) framework, as well as the seven step reaction mechanism for SNCR process modelling. Furthermore, two multicomponent liquid film evaporation models were developed, the first one on the basis of analogy between momentum and mass transfer, and the second one employing modified wall functions which take into account influence of the evaporation on boundary layer above liquid film. Particular scientific contribution is in implementation of the UNIFAC method for activity coefficients calculation, which is employed for the first time in the area of liquid wall films. Finally, the suitable kinetical model of urea thermal decomposition was adjusted and incorporated into existing numerical framework as a step in the process of description of urea deposits influence on overall domain of the real flue gas aftertreatment system. Developed mathematical models were implemented by employing FORTRAN-based user functions that are connected to the main solver of the commercial CFD code Fire. Coupling between the liquid wall film and the gas phase is achieved through the source terms in the mass, energy, species and momentum conservation equations. The ultimate goal was to obtain results of all relevant chemical and physical phenomena that are satisfactory on both qualitative and quantitative basis. The accuracy of numerical modelling, where possible, was determined by comparison with available and relevant experimental data. Results show satisfactory agreement with experiments and encourage future applications of implemented models in industrial CFD applications.

Item Type:	Thesis (Doctoral thesis)
Uncontrolled Keywords:	analitička ravnoteža sila; katalizator; računalna dinamika fluida; Eulerov pristup; hrapavost filma; otkidanje filma; obrada ispušnih plinova; Lagrangeov sprej; višekomponentno isparavanje; NOx redukcija; reakcijska kinetika; selektivna katalitička redukcija; selektivna nekatalitička redukcija; turbulentni granični sloj; UNIFAC metoda; depoziti uree; termalna dekompozicija uree; vodena otopina uree; zidna funckija; film na stjenci
Keywords (Croatian):	analytical force balance; catalyst; computational fluid dynamics; Eulerian approach; film roughness; film rupturing; gas aftertreatment; Lagrangian spray; multicomponent evaporation; NOx reduction; reaction kinetics; selective catalytic reduction; selective non-catalytic reduction; turbulent boundary layer; UNIFAC method; urea deposits; urea thermal decomposition; urea water solution; wall function; wall film
Subjects:	TECHNICAL SCIENCE > Mechanical Engineering
Divisions:	500 Department of Energy, Power Engineering and Environment > 510 Power Engineering and Energy Management Chair
Date Deposited:	20 Sep 2016 15:15
Last Modified:	20 Sep 2016 15:36
URI:	http://repozitorij.fsb.hr/id/eprint/6542

Actions (login required)

View Item