Theoretical and numerical study of collision and coalescence - Statistical modeling approaches in gas-droplet turbulent flows

• Main Author: Wunsch, Dirk
• Other Authors: Toulouse, INPT
• Language: en
• Published: 2009
• Subjects: Modelisation statistique; Ecoulement gaz-gouttes turbulent; Coalescence; Monte-Carlo; DQMOM; Approche PDF; Statistical modeling approaches; Droplet coalescence; Turbulent two-phase flows; PDF approach; Direct Quadrature Method of Moments (DQMOM)
• Online Access: http://www.theses.fr/2009INPT031H/document

Ce travail consiste en une étude des phénomènes de coalescence dans un nuage de gouttes, par la simulation numérique directe d'un écoulement turbulent gazeux, couplée avec une approche de suivi Lagrangien pour la phase dispersée. La première étape consiste à développer et valider une méthode de détection des collisions pour une phase polydispersée. Elle est ensuite implémentée dans un code couplé de simulation directe et de suivi Lagrangien existant. Des simulations sont menées pour une turbulence homogène isotrope de la phase continue et pour des phases dispersées en équilibre avec le fluide. L'influence de l'inertie des gouttes et de la turbulence sur le taux de coalescence des gouttes est discutée dans un régime de coalescence permanente. Un aperçu est donné de la prise en compte d'autres régimes de collision et de coalescence entre gouttes. Ces simulations sont la base de développement et de validation des approches utilisées dans les calculs à l'échelle industrielle. En particulier, les résultats des simulations sont comparés avec les prédictions d'une approche Lagrangienne de type Monte-Carlo et de l'approche Eulerienne 'Direct Quadrature Method of Moments' (DQMOM). Différents types de fermeture des termes de coalescence sont validés. Les uns sont basés sur l'hypothèse de chaos-moléculaire, les autres sont capables de prendre en compte des corrélations de vitesses des gouttes avant la collision. Il est montré que cette derniere approche prédit beaucoup mieux le taux de coalescence par comparaison avec les résultats des simulations déterministes. === Coalescence in a droplet cloud is studied in this work by means of direct numerical simulation of the turbulent gas flow, which is coupled with a Lagrangian tracking of the disperse phase. In a first step, a collision detection algorithm is developed and validated, which can account for a polydisperse phase. This algorithm is then implemented into an existing code for direct numerical simulations coupled with a Lagrangian tracking scheme. Second, simulations are performed for the configuration of homogeneous isotropic turbulence of the fluid phase and a disperse phase in local equilibrium with the fluid. The influence of both droplet inertia and turbulence intensity on the coalescence rate of droplets is discussed in a pure permanent coalescence regime. First results are given, if other droplet collision outcomes than permanent coalescence (i.e. stretching and reflexive separation) are considered. These results show a strong dependence on the droplet inertia via the relative velocity of the colliding droplets at the moment of collision. The performed simulations serve also as reference data base for the development and validation of statistical modeling approaches, which can be used for simulations of industrial problems. In particular, the simulation results are compared to predictions from a Lagrangian Monte-Carlo type approach and the Eulerian 'Direct Quadrature Method of Moments' (DQMOM) approach. Different closures are validated for the coalescence terms in these approaches, which are based either on the assumption of molecular-chaos, or based on a formulation, which allows to account for the correlation of droplet velocities before collision by the fluid turbulence. It is shown that the latter predicts much better the coalescence rates in comparison with results obtained by the performed deterministic simulations.