Numerical study of two-phase turbulent flow

Abstract

In this thesis we calculate various Lagrangian correlation functions for fluid and particle velocities along the trajectories of the particles in two-phase turbulent flow cases. We consider the case of stationary homogeneous isotropic turbulence laden with mono-dispersed particles. The particle size is assumed to be smaller than the average smallest scales of turbulence i.e., Kolmogorov length scale. This allows us to treat particles as point particles and their motion can be calculated using Newton’s second law coupled with Stokes drag force acting on the particles due to surrounding turbulent fluid flow. For simulation of stationary homogeneous isotropic turbulence, we use Kinetic Simulation (KS) method which was proposed by Kraichnan and further developed and used in recent years to study fundamental aspects of behavior of particles in isotropic turbulent flow. In this KS, we then simulate instantaneous trajectories of 10000 particles and generate data on particles position, velocity and fluid velocity at particles’ locations. These results are utilized to calculate various Lagrangian correlations (for particle and fluid velocities) along the particles’ trajectories. The present KS based study of particle laden flow captures phenomenon of preferential distribution of particles. This phenomenon suggests that particles have tendency to form clusters as flow evolves from initially uniform distribution of particles in the isotropic flow. It has been observed in the present study that various time auto correlations of velocity components tend toward zero value for large time difference and which is consistent with other existing studies.

En esta tesis hemos calculado Funciones de Correlación Lagrangianas para las velocidades del fluido y de las partículas a lo largo de las trayectorias de las partículas en el caso de un flujo turbulento bifásico. Consideramos el caso de una turbulencia estacionaria homogénea e isotrópica cargada con partículas monodispersas. Se asume que el tamaño de las partículas es menor que el promedio de las escalas mas pequeñas de turbulencia, es decir la escala de Kolmogorov. Esto nos permite tratar a las partículas como partículas puntuales y su movimiento puede calcularse utilizando la segunda ley de Newton acoplada con la fuerza de arrastre de Stokes que actúa sobre las partículas debido al flujo turbulento que las rodean. Para la simulación del flujo turbulento estacionario homogéneo e isotrópico, Hemos usado el método de Simulación Cinemática (KS por sus siglas en ingles) el cual fue propuesto por Kraichnan y posteriormente desarrollado y utilizado en años recientes para estudiar aspectos fundamentales del comportamiento de las partículas en un flujo turbulento isotrópico. Con este método KS, nosotros simulamos las trayectorias instantáneas de 10000 partículas y generamos datos sobre la posición y velocidades de las partículas y la velocidad del fluido en las posiciones de las partículas. Estos resultados son utilizados para calcular varias correlaciones Lagrangianas (para velocidades de las partículas y del fluido) a lo largo de las trayectorias de las partículas. El presente estudio basado en el método KS del flujo cargado de partículas captura el fenómeno de distribución preferencial de las partículas. Este fenómeno sugiere que las partículas tienen tendencia a formar agrupaciones a medida que evoluciona el flujo, desde una distribución uniforme inicial de las partículas en el flujo isotrópico. Se ha observado en el presente estudio que varias autocorrelaciones de tiempo de los componentes de velocidad tienden a cero en grandes diferencias de tiempo, lo cual es consistente con otros estudios existentes.