Title: Multi-phase Interface Area Calculation Using Iso-Alpha Method
Other Titles: Die Berechnung der Phasengrenzfläche in Mehrphasensystemen mit der Iso-Alpha-Methode
Language: English
Authors: Raju, Jobin 
Keywords: Strömungssimulation; Phasengrenzfläche; Stofftransport
Computational Fluid Dynamics; Interfacial Area; Mass transfer
Advisor: Harasek, Michael  
Assisting Advisor: Haddadi Sisakht, Bahram 
Issue Date: 2021
Number of Pages: 59
Qualification level: Diploma
Abstract: 
reten unterschiedliche Fluide miteinander in Kontakt, so kann Absorption von Bestandteilen dieser beobachtet werden. Während der Absorption wird durch Diffusion Masse über die Fluid-Fluid-Grenzfläche in beide Richtungen transportiert. Computational Fluid Dynamics (CFD) kann genutzt werden um das Ausmaß dieses Massenflusses zu bestimmen und zu visualisieren. Die wichtigsten Parameter zur Bestimmung des Massenflusses sind die Grenzfläche sowie die Triebkraft. Bestehende Algorithmen zur Grenzflächenbestimmung basieren auf Approximation des Gradienten von alpha (volume fraction) oder auf Approximation durch geometrische Methoden. Bei ersterer Methode wird die Größe des Gradienten von alpha entsprechend manipuliert, um die Grenzfläche zu bestimmen. Bei letzterer Methode werden Zellen des Netzes zweigeteilt, um eine Grenzfläche zu bilden, die die Phasen voneinander trennt. Dann wird die polygonale Grenzfläche berechnet. Die aktuelle Forschung befasst sich mit der exakten Berechnung der Grenzfläche mit Hilfe der geometrischen Methode "Iso-Alpha" und seiner Anwendung auf die Simulation des Massenflusses. In dieser Arbeit wird eine in Wasser aufsteigenden Luftblase bezüglich des Massenflusses seiner Bestandteile untersucht. Die gesamte Grenzfläche der Luftblase wird zu jedem Zeitpunkt mit Hilfe der beiden erwähnten Methoden berechnet, um sie miteinander vergleichen zu können. Die so bestimmten Grenzflächen werden der durch paraView, einem Post-Processing-Werkzeug, ermittelten Fläche gegenübergestellt. Anschließend wird die Massenflussrate der beiden Verfahren verglichen. Massenfluss durch Gasblasen in einer Flüssigkeit kann vielfach in chemischen und biologischen Prozessen wie der Oxidation oder der Fermentation beobachtet werden. Deswegen ist eine quantitative Annäherung der transportierten Masse ein wichtiger Aspekt bei zum Beispiel industriellen Blasensäulenreaktoren und den damit verwandten Anwendungen in der chemischen Industrie.

One observes absorption phenomena when fluids of different nature come in contact with each other. During absorption, mass is transferred across the fluid-fluid interface in both directions via diffusion of species. Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques can be suitably exploited to evaluate the extent of mass transfer and its visualization. The key parameters that influence a specific specie absorption rate are the area of interface and a driving force. Existing area calculation algorithms are either based on approximation techniques using the magnitude of gradient alpha (volume fraction) or geometrical methods. In the former method, the magnitude of the gradient alpha (volume fraction) can be suitably manipulated to approximate the area of the interface. In the latter method, the mesh cells are split into two to form an interface separating the different phases and then calculating the area of the polygonal interface. Current research focuses on accurateevaluation of the interface area between the two phases using a geometrical method-’Iso-Alpha’ and its application on mass transfer simulations. The case of a rising bubble with mass transfer is considered for the current study. The total interface area of the bubble is calculated in every timestep using both methods for comparison. The magnitude of the interface area is validated against the area obtained from the post-processing utility – paraView. Subsequently, the species mass transfer rate is also compared using both area calculation methods. Mass transfer during bubbly flows is commonly observed in chemical and biological processes such as oxidation, fermentation, etc. Hence, a quantitative estimation of transferred mass is an important aspect in industrial-scale packed column bubble-liquid reactors and related chemical engineering applications.
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2021.86662
http://hdl.handle.net/20.500.12708/16621
DOI: 10.34726/hss.2021.86662
Library ID: AC16118270
Organisation: E166 - Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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