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Modeling of mixing in cross junction using computational fluid dynamics
Hammoudi, Hellen
Quelle: Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen
Dresden (Deutschland)
Selbstverlag
2021, 184 S., Abb., Tab., Lit.
ISBN: 978-3-86780-668-8
Serie: Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Nr.67
Sprache: Englisch
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[Quelle: https://d-nb.info]
Frühere Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass das Vermischen von gelösten Substanzen in Rohrkreuzen in Wasserversorgungssystemen alles andere als perfekt ist und wenn zwei Flüssigleiten in einem Rohrkreuz eintreten, trennen sie sich eher voneinander anstatt sich zu vermischen. Das Ziel dieser Forschungsarbeit ist es, das Verhalten von zwei Flüssigkeiten in einem Rohrkreuz zu untersuchen. In diesem Zusammenhang werden experimentelle Untersuchungen und numerische Strömungssimulationen durchgeführt, um das Vermischen an Kreuzungspunkten in Wasserversorgungssystemen zu untersuchen. Diese Arbeit konzentriert sich auf Rohrkreuzen mit gleichen Rohrdurchmessern in Strömungen, die von laminar bis turbulent variieren können. Verschiedene Eigenschaften der Flüssigkeiten mit verschiedenen Strömungskonfigurationen wurden experimentell und numerisch getestet. Zunächst wurden im TZW (DVGW-Technologiezentrum Wasser) die experimentellen Untersuchungen zum Mischen in Rohrkreuzungen durchgeführt. Die durchgeführten experimentellen Untersuchungen bieten einen Überblick über die Parameter, die das Mischverhältnis in Kreuzungspunkten beeinflussen können, und werden zur Validierung der numerischen Simulationen verwendet. Verschiedene numerische Ansätze zur Modellierung des Vermischens in Rohrkreuzen werden vorgestellt. Die 3D-numerische Strömungssimulationen verwenden einen vorhandenen kommerziellen CFD-Code, ANSYS CFX 19.1, und werden auch anhand experimenteller und numerischer Ergebnisse anderer Forscher umfassend validiert. In ANSYS CFX gibt es mehrere Modelle, mit denen das Vermischen von Flüssigkeiten simuliert werden kann. In dieser Arbeit werden beide Flüssigkeiten als isotherm, inkompressibel und ohne Phasenwechsel betrachtet. Es werden zwei Mischmodelle getestet: das Additional Variable Model und das Multi-component Model. Die 3D -Strömungsmodelle verwenden RANS-Turbulenzmodelle und LES-Simulationen. Die Parameter des numerischen Aufbaus wurden sorgfältig untersucht, um ihre Auswirkung auf die Ergebnisse zu untersuchen. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Änderung der turbulenten Schmidt-Zahl in den RANS-Simulationen ausführlich untersucht und die Ergebnisse mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Die Genauigkeit der Verwendung einer Large-Eddy-Simulation zur Simulation des Vermischens in Rohrkreuz wird ebenfalls getestet, wobei die erforderliche Netzauflösung und die Turbulenzen in den Anfangs- und Randbedingungen berücksichtigt werden. Diese Arbeit präsentiert einen anwendbaren numerischen Ansatz zur Simulation des Fließverhaltens in Rohrkreuzen. Mit diesem Ansatz wird die Wirkung verschiedener Parameter getestet, z. B.: Reynolds-Zahl, Rohrdurchmesser, Vermischungszeit, Diffusivität und Dichteunterschied. Die mit den numerischen Modellen erzielten Ergebnisse zeigten, dass einer der Hauptparameter, die das Vermischen in Rohrkreuzen beeinflussen, der Dichteunterschied ist, welcher einen großen Einfluss auf die ausgehende Konzentration in Kreuzungen hat. Der verwendete numerische Ansatz wird dazu beitragen, die Auswirkung verschiedener Strömungsparameter auf das Vermischen in Rohr-kreuzen zu untersuchen. Basierend auf dem Datensatz dieser Studie wird auch ein empirisches konzeptionelles Modell für das Vermischen in Rohrkreuz unter Verwendung multipler Regression vorgestellt. Dieses Modell kann in Kombination mit experimentellen und numerischen Studien weiterentwickelt werden.
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