Title: Erweiterung eines 3D-VOF-Mehrphasenströmungsmodells um den Phasenwechsel solid-liquid des kontinuierlichen Mediums
Other Titles: Extension of a 3D-VOF-multi phase flow model by the phase change solid-liquid of the continuous medium
Language: Deutsch
Authors: Macsek, Clemens 
Qualification level: Diploma
Advisor: Walter, Heimo 
Issue Date: 2021
Number of Pages: 99
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Implementierung des Phasenwechsels in ein bereits bestehendes 3D-Mehrphasenströmungsmodell eines Direktkontaktlatentwärmespeichers.Bei diesem Mehrphasenströmungsmodell wird die Volume of Fluid Methode angewandt. Das senkrecht stehende mathematische Simulationsmodell des mit Salzwasser gefüllten Tanks besitzt am unteren Ende einen Eingang, durch welches ein Wärmeträgeröl eingebracht wird. Anschließend wird zwischen dem strömenden Wärmeträgerfluid Öl und dem im Speicher befindlichen Salzwasser Wärme ausgetauscht, bevor das Wärmeträgerfluid am oberen Ende des Speichers abgesaugt wird. Dieser Vorgang inklusive dem Beginn des Phasenwechsels von flüssiger zu festen Phase des kontinuierlichen Mediums wird mit Hilfe der Software ANSYS FLUENT abgebildet. Hierfür existiert bereits ein dreidimensionales Modell, welches in dieser Arbeit unter Anwendung von Solidification & Melting um den Phasenwechsel erweitert wird. Bei dieser Erweiterung stellt die richtige Setzung der vielen Unterrelaxationsfaktoren eine große Herausforderung dar. Nach erfolgreicher Implementierung des Phasenwechsels in das bestehende mathematische Simulationsmodell wurden fünf Simulationen mit unterschiedlichen Einstellungen oder verschiedenen Eigenschaften des kontinuierlichen Mediums durchgeführt. Die Auswertung der in den Simulationen generierten Daten dient dazu, den Einfluss der Eigenschaften des kontinuierlichen Mediums auf die Wärmeübertragung zu untersuchen. Bei dieser Art der Versuchsdurchführung sind lange Rechenzeiten bekannt, so stellt es eine große Herausforderung dar, die Rechenzeiten bei der Implementierung des Phasenwechsels gering zu halten.Im Zuge der Auswertungen wird der Fokus auf den Erstarrungsprozess und die darin vorkommende Wärmeübertragung gelegt. Aufgrund begrenzter Ressourcen wird der Schmelzprozess nicht betrachtet. Die Resultate zeigen, dass eine Variation des Massenstroms und eine Änderung der spezifischen Erstarrungsenthalpie das Strömungsverhalten, den Erstarrungsprozess und somit die thermische Leistung des Speichers stark beeinflussen.

This thesis deals with the implementation of phase change in an existing 3D multiphase flow model of a direct contact latent heat storage system. In this multiphase flow model,the Volume of Fluid method is applied. The vertical orientated domain of a salt water filled reservoir has an inlet at the lower end through which a heat transfer oil is injected. Heat isthen exchanged between the flowing heat transfer fluid oil and the salt water in the reservoir before the heat transfer fluid is drained from the upper end of the reservoir. This process,including the beginning of the phase change from liquid to solid of the continuous medium,is mapped using the ANSYS FLUENT software. A three-dimensional model already exists for this purpose, which is used in this work by applying Solidification & Melting for the phase change. In this extension the correct setting of the many sub-relaxation factors is amajor challenge.Five simulations were performed with different settings of the system or different materialproperties of the continuous medium. The evaluation of the generated data is used to understand the influence of the material properties of the continuous medium to the mechanism of heat transfer in a qualitative way. Long computation times are known for this type of simulation, so it is a challenge to keep the computation times low when implementing the phase change.In the course of the evaluations, the focus is on the solidification process and the heat transfer occurring in it. The melting process is not observed due to limited resources. The results show that a variation of the mass flow and a change of the specific solidification enthalpy strongly influence the flow behavior, the solidification process and thus the thermal performance of the reservoir.
Keywords: Mehrphasenströmung; Phasenwechsel; solid-liquid
multi phase flow; phase change; solid-liquid
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2021.78662
http://hdl.handle.net/20.500.12708/16963
DOI: 10.34726/hss.2021.78662
Library ID: AC16157474
Organisation: E302 - Institut für Energietechnik und Thermodynamik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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