CFD-Simulation der Strömung in einer Tropfensäule

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung der Strömung in einem Direktkontaktlatentwärmespeicher. Modelliert wird die Zweiphasenströmung im Tank des Speichers, welche sich als Tropfensäule ausbildet. Die disperse Phase stellt ein Wärmeträgeröl dar, welche in eine wässrige kontinuierliche Phase, das Speichermaterial, eingedüst wird. Dazu wird ein 2D-CFD-Modell in ANSYS FLUENT erstellt. Zur Mehrphasenmodellierung wird die Volume-of-Fluid-Methode herangezogen. In den Simulationen werden die ersten 60 s der sensiblen Abkühlung des Speichermaterials betrachtet und der lokal stationäre Betriebspunkt der liquid-liquid Strömung ausgewertet. Die Domäne entspricht einem Speichertank im Labormaßstab (b h = 50 670 mm). Es werden unterschiedliche Ausführungen des Speichertanks simuliert. Diese unterscheiden sich hinsichtlich der Anzahl der Düsen und durch den Einsatz von Einbauten für die Ausführung als Schlaufenreaktor. Mittels acht durchgeführten Simulationen wird der Einfluss der Tankgeometrie sowie der Stoffeigenschaften der Wärmeträgerfluide auf die Strömungsstrukturen und Temperaturverteilung in der Tropfensäule untersucht. Anhand der Phasenverteilung im Reaktor wird beobachtet, ob das Strömungsbild und der Tropfenbildungsmechanismus mit dem aus Versuchen bekanntem Verhalten übereinstimmt. Die Simulationen führen teilweise zu physikalisch unplausiblen Ergebnissen, da vor allem oft ein Anlegen, des in die wässrige Phase eingedüsten Freistrahles, an der Tropfensäulenwand zu beobachten ist. Die Simulationen des Schlaufenreaktors lieferten bezüglich des Tropfenbildes die vielversprechendsten Ergebnisse. Die Auswertung der Simulationsdaten wird mittels einer entwickelten Auswertemethodik durchgeführt. Die Validation der numerischen Untersuchung erfolgt anhand von experimentell ermittelten Daten.

In this work, the fluid flow in a direct contact latent heat storage is investigated. Therefore, the two-phase droplet flow in the storage tank is modelled. The phase that is present in form of droplets is a heat transfer fluid and is injected by a nozzle in the continuous phase, the aqueous storage material. A 2D-CFD simulation model is developed in ANSYS FLUENT, wherein the used multiphase model is the volume-of-fluid-approach. To investigate the temperature distribution, the first 60 s of the sensible cooling of the storage material are observed and the locally stationary operating point of the liquid-liquid flow is evaluated. The domain is represented by a laboratory scale storage tank (b h = 50 670 mm). Different designs of the storage tank are simulated. These designs differ in terms of the number of nozzles and in form of the geometry, either a simple droplet column or a loop reactor with the use of internals. Based on eight simulations, the influence of the tank geometry and material properties on the fluid flow and temperature distribution in the droplet column are investigated. The phase distribution in the reactor is used to determine whether the flow pattern and the droplet formation mechanism agree with the behavior known from experiments. The simulations lead in some cases to physically implausible results. It is especially often observed that the oil jet, that is injected into the aqueous phase, attaches to the droplet column wall. The simulations of the loop reactor lead to the most promising results with regard to the droplet formation. A data analysis is carried out by means of a developed evaluation methodology. The validation of the numerical simulations is based on experimentally determined data.