Parçacık yüklü akışlarda sürükleme kuvveti bağıntıları ve yüklü parçacıkların sürükleme kuvvetine etkisi

The Computational Fluid Dynamics (CFD) tool pafiX (particle flow simulation in explosion protection) focuses on modeling the electrostatic charging of particle-laden flows. In CFD simulations of two-phase flows, accurate drag force modeling is essential for predicting particle dynamics. However, since all existing drag correlations were established for specific flow situations, a generally valid formulation is lacking. In particular, these correlations have not been evaluated for particle-laden flows subjected to electrostatic forces. This thesis reports on the effect of drag force modeling on the flow of electrically charged particles. To this end, we implemented different drag correlations in pafiX. Then, we performed highly-resolved Direct Numerical Simulations (DNS) using a Eulerian-Lagrangian approach of a particle-laden channel flow of a friction Reynolds number of 180. The simulations generally revealed a strong influence of the precise drag correlation on particles in the near-wall region and a minor effect on the particles far from the walls. Due to their turbophoretic drift, particles accumulate close to the channel walls. For uncharged particles, the simulations show large deviations of the particle concentration profile in the near-wall region depending on the drag force correlation. Therefore, the disturbance of the flow surrounding a particle by a nearby wall or other particles is important for its drag. Driven by electrostatic forces, charged particles accumulate even closer to the wall. Contrary to the uncharged cases, when the particles carry a high charge (in our case one femto-coulomb), we found minor effects of a nearby wall and nearby particles on the drag force. In conclusion, for the investigated conditions, we propose to account for the effect of nearby particles and walls on the drag of charged and uncharged particles.
Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) aracı olan pafiX (patlama korumasında parçacık akışı simülasyonu), parçacık yüklü akışların elektrostatik yüklenmesi olayını modellemeye odaklanır. İki fazlı akışların HAD simülasyonlarında, parçacık dinamiklerini tahmin etmek için doğru sürükleme kuvveti modellemesi esastır. Mevcut sürükleme kuvveti korelasyonları ancak belirli akış durumları için mevcut olduğundan, genel olarak geçerli bir formülasyon eksikliği vardır. Özellikle, bu korelasyonlar, daha önce elektrostatik kuvvetlere maruz kalan parçacık yüklü akışlar için değerlendirilmemiştir. Bu tez, sürükleme kuvveti modellemesinin elektrik yüklü parçacıkların akışı üzerindeki etkisini bildirmektedir. Bu etkiyi inceleyebilmek amacıyla pafiX'e farklı sürükleme kuvveti korelasyonları uygulandı. Ardından, sürtünme Reynolds sayısı 180 olan parçacık yüklü kanal akışının Eulerian-Lagrange yaklaşımı kullanılarak yüksek çözünürlüklü Doğrudan Sayısal Simülasyonu (DNS) gerçekleştirildi. Simülasyon sonuçları genel olarak duvara yakın bölgedeki parçacıklar üzerinde sürtünme korelasyonunun güçlü bir etkisi olduğunu, duvarlardan uzaktaki parçacıklar üzerinde ise etkisinin küçük olduğunu ortaya çıkardı. Turboforetik sürüklenme nedeniyle, parçacıkların kanal duvarlarına yakın bir yerde biriktiği görüldü. Yüksüz parçacıklar için simülasyonlarda, sürükleme kuvveti korelasyonuna bağlı olarak duvara yakın bölgedeki parçacık derişim profilinde büyük sapmalar görüldü. Buradan, bir parçacığı çevreleyen akışın yakınındaki bir duvar veya diğer parçacıklar tarafından bozulmasının, sürükleme kuvveti için önemli bir etki olduğu sonucuna varılmıştır. Elektrostatik kuvvetler tarafından yönlendirilen yüklü parçacıkların, yüklü olmayan parçacıklara göre, duvara daha da yakın bir yerde biriktiği görüldü. Yüksüz durumların aksine, parçacıklar yüksek bir yük taşıdığında (bu incelemede 1 femto Coulomb), yakındaki bir duvarın ve parçacıların sürükleme kuvveti üzerindeki etkilerinin oldukça düşük olduğu görüldü. Sonuç olarak, yüklü ya da yüksüz tüm parçacıkların sürüklenmesi üzerinde hem yakınlarındaki parçacıkların ve hem de duvarların etkisinin göz önüne alınması gerektiği ortaya konulmuştur.