Experimental and numerical investigation of the mixing of laminar and turbulent streams

Abstract

Das Mischverhalten von turbulenten und laminaren Strömungen in einem rechteckigen Kanal wird mittels experimenteller und numerischer Methoden untersucht. Eine kontaktlose, optische Messtechnik (Laser Doppler Velocimetry) wird angewandt um punktweise Geschwindigkeitsinformation der Strömung zu erfassen. Diese Information wird genutzt um die turbulente kinetische Energie k, ein Maß für die Geschwindigkeitsschwankungen, zu berechnen. Numerische Strömungssimulation (CFD) ermöglicht eine genaue Untersuchung der Strömung, basierend auf dem Finite-Volumen-Verfahren. Aufgrund der Komplexität von turbulenten Strömungen sind diese Simulationen auf Modelle angewiesen, die Geschwindigkeitsschwankungen erfassen. Der Vergleich von Messergebnissen und Simulation zeigt, dass Geschwindigkeiten korrekt vorhergesagt werden, die turbulente kinetische Energie allerdings stark unterschätzt wird. Ziel dieser Arbeit ist es, das Turbulenzmodell mithilfe der Messdaten zu kalibrieren und so den Fehler in der Vorhersage von k zu minimieren. Die Kalibration erfolgt durch Anpassung der Standardwerte der acht Modellkonstanten des Turbulenzmodells. Um den Rechenaufwand so gering wie möglich zu halten, wird eine statistische Methode, Design of Experiments (DoE), angewandt. Die so erhaltenen neuen Modellkonstanten reduzieren den Fehler zwischen experimenteller und numerischer turbulenter kinetischer Energie von initial 90 % auf 45 %.

The mixing of turbulent and laminar flow inside a rectangular channel T-junction is investigated using experimental and numerical methods. A non-intrusive, optical measurement technique (Laser Doppler Velocimetry) is applied to gather point-wise velocity information of the flow. This information is used to calculate the turbulent kinetic energy k, a measure of velocity fluctuations. Computational Fluid Dynamics (CFD), allows the detailed investigation of mixing flows based on finite volume method. However, because of the complexity of turbulent flow, economical simulations are restricted to the use of turbulence models to account for the velocity fluctuations. Comparison of measurements and simulation indicates that while velocities are predicted correctly, the simulation severely underpredicts the turbulent kinetic energy. Aim of this work is to use the obtained measurement data to calibrate the turbulence model, reducing the error in the prediction of k, and therefore enable a better simulation of the mixing fluid flow. This is achieved by modifying the default values of eight model constants present in the equations of the turbulence model. In order to reduce the computational effort a statistical method, Design of Experiments (DoE), is applied to identify the best possible value combinations. Using this method, a stationary point is predicted, reducing the error between measured and simulated turbulent kinetic energy in the turbulent flow from initially 90 % to 45 %.