Tato práce se zabývá studií Simplex a SR verze původní trysky používané ve spalovací komoře malého proudového motoru. Pro lepší porozumění procesu rozprašování byl vyroben transparentní model obou trysek v měřítku 10:1. Tvorba spreje u tlakové vířivé trysky je komplexní proces dvoufázového proudění. Vnitřní a vnější proudění bylo zkoumáno pomocí Laserového Dopplerovského Anemometru a vysokorychlostní kamery při vstupních tlacích p = 0.5, 1.0 a 1.5 MPa s použitím kerosinu a p-Cymenu. Z hlediska vnitřního proudění byla provedena charakteristika vzdušného jádra a zkoumán vliv různých SFR hodnot na délku a průměr jádra. Dále byly objasněny rychlostní profily společně s jejich fluktuačními složkami vzhledem k Reynoldsovu číslu a použité kapalině. Také jednoduchý numerický model byl vyvinut k odhadu vnitřního proudění pomocí trackování částic. V případě vnějšího proudění byl zkoumán vliv vstupního tlaku na rozpadovou vzdálenost spreje a úhel kužele spreje.

The master thesis deals with hydraulic characteristics of once-through boilers and describes the problems which may arise during the flow of water through the evaporator. Especially the formation of aperiodic instability of the evaporator and hydraulic uniformity amongst every steam generating tube. The thesis describes parameters, which cause these problems, and solutions how to deal with them. The calculation has been done for evaporator of the boiler called K2 located in power station in Chvaletice.

L’objet de cette thèse a été de développer une méthode numérique multi-approche et multiéchelle appliquée à la simulation d’écoulements diphasiques de fluides non miscibles, incompressibles et isothermiques et plus particulièrement à l’atomisation primaire. Cette méthode repose sur une approche couplée entre un maillage local raffiné et un maillage global plus large. Le couplage est explicite avec raffinement en temps, c’est-à-dire que chaque domaine évolue selon son propre pas de temps. Afin de prendre en compte les différentes échelles en temps et en espace dans le processus d’atomisation, cette méthode numérique couple deux méthodes numériques diphasiques différentes : une méthode de capture de l’interface dans le domaine local raffiné près de l’injecteur et une méthode de sous-maille dans le domaine global grossier et la région du spray dispersé. Le code développé et parallélisé dans le logiciel OpenFOAMR s’avère capable de réduire de manière significative le temps de calcul d’une simulation aux grandes échelles de l’atomisation dans un injecteur coaxial, tout en prédisant de manière fiable les données expérimentales. / The purpose of this work has been to develop a multi-approach and multi-scale numerical method applied to the simulation of two-phase flows involving non miscible, incompressible and isothermal fluids, and more specifically primary atomization. This method is based on a coupled approach between a refined local mesh and a coarser global mesh. The coupling is explicit with refinement in time, i.e. each domain evolves following its own time-step. In order to account for the different scales in space and time of the atomization process, this numerical method couples two different two-phase numerical methods: an interface capturing method in the refined local domain near the injector and a sub-grid method in the coarser global domain in the dispersed spray region. The code has been developed and parallelized in the OpenFOAMR software. It is able to reduce significantly the computational cost of a large eddy simulation of a coaxial atomization, while predicting with accuracy the experimental data.

La présence de fines particules de matières oxydables est rencontrée dans de nombreuses situations industrielles. Le risque d'explosion de poussières présente une menace constante pour les industries de transformation qui fabriquent, utilisent ou manipulent des poudres ou despoussières de matières combustibles. Dans le secteur nucléaire, les scénarios envisagés traitent,en particulier, le risque d'explosion de poussières de graphite liées aux opérations dedémantèlement des réacteurs Uranium Naturel Graphite Gaz. La problématique considérée, dans le cadre de ce travail de thèse, est celle de la combustion d'un mélange dilué gaz-particules.L'objectif de cette thèse est de développer un modèle Euler-Lagrange macroscopique permettantde prédire la vitesse laminaire de flamme qui est une des données essentielles pour les modèlesde vitesse de flamme turbulente utilisés dans l'évaluation des risques d'explosion de poussières.Dans un premier temps, les équations macroscopiques de transferts massique et thermique sont dérivées à partir de la méthode de prise de moyenne volumique. L'intérêt de l'approche utilisée ici est de proposer des problèmes de fermeture permettant d'estimer les coefficients de transfertseffectifs, tels que les coefficients d'échanges thermiques et le coefficient effectif de la réactionhétérogène. Dans un deuxième temps, des simulations Euler-Lagrange sont utilisées pourdéterminer la vitesse de flamme laminaire diphasique plane en fonction des caractéristiques du mélange gazeux et des poussières de graphite. Le modèle proposé dans ce travail est comparé au modèle Euler-Lagrange classique basé sur la résolution du problème de couche limite pourune particule isolée en milieu infini. Cette étude montre que les effets du taux de dilution et deséchanges indirects entre les particules ne sont pas systématiquement négligeables dans leséchanges macroscopiques entre les deux phases. D'autre part, la présente étude laisse entrevoir la potentialité de l'approche proposée pour les simulations détaillées de l'écoulement diphasique / The presence of fine particles of oxidizable materials is encountered in many industrial situations.The risk of dust explosion presents a constant threat in transformation industries that manufacture,use or manipulate powders or combustible materials dusts. In nuclear safety analysis, one of themain scenarios is the risk of graphite dust explosion that may occur during decommissioningoperations of Uranium Natural Graphite Gas reactors. The issue considered in this thesis isrelated to combustion of a dilute gas-particle mixture. This work aims at developing a macroscopicEuler-Lagrange model for predicting laminar flame velocity, which is one of the essential data forturbulent flame velocity models used to evaluate the risk of dust explosion. First, the macroscopicheat and mass transfer equations are derived using the volume averaging method. The majorinterest of the proposed approach is to provide closure problems that allow to estimate theeffective transport coefficients, such as heat exchange coefficients and the effective coefficient ofthe heterogeneous reaction. Second, Euler-Lagrange simulations are used to determine the planetwo-phase laminar flame velocity as a function of gas mixture and graphite dust characteristics.The proposed model is compared to the classical Euler-Lagrange model based on the resolutionof the boundary layer problem in the vicinity of an isolated particle in infinite medium. Results showthat the dilution rate and the indirect particle-particle exchanges are not systematically negligible inthe macroscopic exchanges between the two-phases. On the other hand, this study suggests thepotentiality of the proposed approach for detailed simulations of two-phase flow

Zweiphasenströmungen sind Strömungen von heterogenen Stoffgemischen, die aus zwei verschiedenen und voneinander getrennten homogenen Materialien, den Phasen, bestehen und bei einer Vielzahl technischer Anwendungen auftreten, wie zum Beispiel in der chemischen Industrie und der Energietechnik. Dort beeinflussen Zweiphasenströmungen maßgeblich die Prozesseffizienz und -sicherheit. Radiometrische Messverfahren bieten aufgrund ihrer Nicht-invasivität und dem hohen Durchdringungsvermögen die Möglichkeit, diese Strömungen zu visualisieren sowie deren Parameter zur Charakterisierung zu bestimmen. Die quantitativ hoch-genaue Parameterbestimmung kann dabei durch einige Aspekte erschwert werden, die bisher nicht durch Standardalgorithmen berücksichtigt werden können. Bei der Bestimmung von zeitgemittelten Phasenanteilen durch densitometrische und tomo-graphische Messungen kann bei geringen Zählraten die dynamische Verzerrung auftreten, die systematisch zu einer Verfälschung der zu bestimmenden Phasenanteile führt. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Verfahren des korrekten Mittelns kann die dynamische Verzerrung voll-ständig korrigiert werden. Bei der Anwendung des Verfahrens des korrekten Mittelns müssen schlecht konditionierte lineare Gleichungssysteme gelöst werden. Durch geeignete Regularisierungsverfahren lassen sich die Abweichungen vom Mittelwert bei ausreichender Zählratenstatistik beliebig stark verringern. Der Ansatz des Verfahrens des korrekten Mittelns kann bei densitometrischen Messungen von Gas-Flüssigkeits-Strömungen genutzt werden, um auf Basis der Gasgehalts-Wahrscheinlichkeitsdichte das Strömungsregime bei geringen Zähl-raten zu ermitteln. Die Röntgencomputertomographie ermöglicht die Bestimmung von räumlich und zeitlich aufgelösten Phasenverteilungen. Durch Strahlaufhärtung, Streustrahlung und geometrische Verzerrungen können die rekonstruierten Bilder Artefakte enthalten, die die Phasenanteile signifikant verfälschen. Streustrahlung und Strahlaufhärtung können beim ultraschnellen Elektronenstrahl-Röntgencomputertomographen ROFEX durch geeignete Normierungen mit Referenzmessdaten erheblich verringert werden. Weitere Reduktionen der Streustrahlungs-artefakte lassen sich durch Kollimation und einer strahlwegbasierten Vorwärtssimulation der Streustrahlung in der Bildebene erreichen. Durch äußere Einflüsse kann es beim ROFEX zu unerwünschten Ablenkungen des freien Elektronenstrahls kommen, was zu Verzerrungen in den Bildern führt. Die Korrektur kann mithilfe eines iterativen Algorithmus erfolgen, der auf Basis der Schärfe der Bilddaten den Pfad des Elektronenstrahls schätzt und somit die exakte Strahlweggeometrie für die Bildrekonstruktion ermittelt. / Two-phase flows are flows of heterogeneous material mixtures consisting of two different and separated homogeneous materials, the phases, which occur in many technical applications, such as in the chemical industry and energy technology. There, two-phase flows have a significant influence on process efficiency and safety. Due to their non-invasiveness and high penetration capability, radiometric measurement methods offer the possibility of visualizing these flows and determining their parameters for characterization. The quantitative high-precision determination of parameters is hampered by some aspects that are not taken into account by standard algorithms. When determining time-averaged phase fractions by densitometric and tomographic measurements, the dynamic bias error can occur at low count rates, which systematically leads to a falsification of the phase fractions to be determined. With the correct averaging method developed in this thesis, the dynamic bias error can be completely corrected. When applying the correct averaging method, ill-conditioned linear equation systems have to be solved. By suitable regularization methods, the deviations from the exact mean value can be reduced arbitrarily strongly with sufficient count rate statistics. The approach of the correct averaging method can be used for densitometric measurements of gas-liquid flows to determine the flow regime at low count rates on the basis of the gas fraction probability density. X-ray computed tomography enables the determination of spatially and temporally resolved phase distributions. The reconstructed images can contain artifacts due to beam hardening, scattered radiation and geometric distortions, which significantly falsify the phase fractions. In the ROFEX ultrafast electron beam X-ray computer tomography system, scattered radiation and beam hardening can be significantly reduced by suitable normalization with reference measurement data. Further reductions of scatter artifacts can be achieved by collimation and ray-tracking based forward simulation of scattered radiation in the image plane. Due to external influences around the ROFEX, undesired deflections of the free electron beam can occur, which leads to distortions in the images. The correction can be performed using an iterative algorithm that estimates the path of the electron beam based on the sharpness of the image data and thus determines the exact beam path geometry for the image reconstruction.

Für die Untersuchung von Luft/Wasser-Strömungen wurde ein horizontaler Acrylglas-Kanal mit rechteckigem Querschnitt gebaut. Der Kanal ermöglicht Gleich- und Gegenstrom-Versuche bei Atmosphärendruck, insbesondere die Untersuchung der Schwallströmung. Es wurden optische Messungen mit einer Hochgeschwindigkeits-Kamera durchgeführt, die durch synchronisierte dynamische Druckmessungen ergänzt wurden. Für die Analyse der Bilder wurde eine Methode zur Erfassung der Phasengrenze entwickelt und diese anhand möglicher Anwendungen getestet. Die Druckmessungen zeigten, dass der Druck bei Schwallströmungen um einige Kilopascal ansteigt und wieder abfällt, sobald der Schwall aus dem Kanal austritt. Zudem wurden Geschwindigkeiten in der flüssigen Phase mittels nicht invasiver Verfahren gemessen. Das durchschnittliche Geschwindigkeits-Profil am Kanaleintritt wurde mit Ultraschall-Köpfen bestimmt. Die Ermittlung des Geschwindigkeitsfeldes in einem Schwall erfolgte mit PIV (Particle Image Velocimetry).

The extensive experimental results presented in this report provide a high-quality database for air-/water flows in a vertical pipe with a nominal diameter of 200 mm. This database can be used for the development and validation of CFD-like models for two-phase flows, e.g. for bubble coalescence and fragmentation. In particular, the investigations aim on the evolution of the two-phase flow along the pipe height. Therefore, up to 18 single measurements with varying distances between the gas injection and measurement plane were realised for each of the 92 combinations of gas and water flow rates. The pressure at the position of the activated gas injection was kept constant at 0.25 MPa(a). This boundary condition has the advantage that the measured data represent exactly the evolution of the flow along the pipe, i.e. they reflect a configuration at which the gas injection is at a fixed height position, while the measurement plane varies. Important results of this test series are time averaged radial profiles of the gas fraction, and the gas velocity, as well as the time and cross-section averaged bubble size distributions. Furthermore, gas fraction data resolved regarding the bubble size and spatial distribution are presented. As in previous test series, flow patterns were analysed, whereby the classification results from the bubble size. A substantial part of these new air/water experiments were quality and plausibility checks of the measured data. In the result, a clear and consistent trend regarding their evolution with increasing distance from the position of the gas injection was found. Comparisons of the trend of time and cross section averaged gas volume fraction along the pipe height with the theoretically expected values were carried out. The influence of the orifice diameter of the gas injection on flow patterns is also discussed in the report.

Die im Rahmen dieser Versuchsserie erzielten umfangreichen experimentellen Ergebnisse bilden eine hochwertige Datenbasis für Luft-Wasser-Strömungen in einem vertikalen DN200-Rohr, die für die Entwicklung und Validierung von CFD-Modellen, beispielweise bzgl. Blasenkoaleszenz und -fragmentierung, genutzt werden können. Besonderes interessant ist die Untersuchung der Entwicklung der Zweiphasenströmung über der Rohrhöhe. Aus diesem Grund wurden für jede der 92 betrachteten Kombinationen aus Gas- und Wasser-Volumenstromdichten bis zu 18 Messungen mit variablen Abständen zwischen Gaseinspeisung und Messebene durchgeführt. Dabei wurde der Druck an der Gaseinspeisestelle konstant auf 0,25 MPa(a) gehalten. Diese Randbedingung bietet den Vorteil, dass die so gemessenen Daten die Entwicklung der Strömung über der Rohrhöhe widerspiegeln, d.h. eine Konfiguration beschreiben, bei der das Gas an einer festen Höhenposition eingespeist wird und die Messungen in verschiedenen darüberliegenden Ebenen erfolgen. Wesentliche Ergebnisse dieser Messserie sind radiale zeitgemittelte Profile für den Gasgehalt und die Gasgeschwindigkeit sowie zeit- und querschnittsgemittelte Blasengrößenverteilungen. Außerdem liegen blasengrößen- und ortsaufgelöste Gasgehaltsdaten vor. Wie bereits bei früheren Versuchsserien wurden auch in diesem Fall die Strömungsformen analysiert, wobei die Klassifizierung anhand der Blasengröße erfolgte. Ein wesentlicher Bestandteil dieser neuen Luft/Wasser-Versuche war die Qualitäts- und Plausibilitätsprüfung der Messdaten. Es konnte festgestellt werden, dass die Daten einen eindeutigen, widerspruchsfreien Trend bzgl. ihrer Entwicklung mit zunehmendem Abstand von der Gaseinspeisung aufweisen. Zur Plausibilitätsprüfung wurden Vergleiche des Gasgehaltsverlaufes über der Rohrhöhe mit theoretisch zu erwartenden Kurven durchgeführt. Zusätzlich zu diesen Ergebnissen enthält der Bericht eine Einschätzung des Einflusses des Bohrungsdurchmessers an der Gaseinspeisung auf die sich einstellende Strömung.

The key to success in separation of liquid mixtures is the efficient creation and utilization of vapour-liquid contact area. By packing the column with gas-liquid contact devices such as structured packing, the vapour-liquid contact area can be increased. However, the efficiency of these packed columns depends strongly on the local flow behaviour of the liquid and vapour phase inside the packing. The aim of this work was to develop three-dimensional CFD models to study the hydrodynamic behaviour on the corrugated sheets of packing. Different approaches are possible to simplify the problem and to extend it for more complex flow scenarios. In this work, three-dimensional CFD simulations were performed to study the complete fluid-dynamic behaviour. This was performed in two steps. As a first step, the developed model was validated with experimental studies using a simplified geometry i.e., an inclined plate. The three-dimensional Volume-of-Fluid (VOF) model was utilized to study the flow behaviour of the gas-liquid countercurrent flow. The influence of the liquid surface tension was taken into consideration using the Continuum Surface Force (CSF) model. The wetting characteristics of liquids with different viscosity (1 and 5 mPas) and contact angle (70° and 7°) were studied for different flow rates. Three different mixtures (water, water-glycerol (45 wt. %) and silicon-oil (DC5)) were considered. Initially, the rivulet width of experiments and simulations were compared and an error of 5 % maximum was determined. The results were also in good agreement with earlier studies. The percentage of wetting due to changes in flow rate, viscosity and contact angle was compared and discussed. For all tested systems, excellent agreement between the experiments and simulation studies was found. In addition, profiles of the velocity in the film at film flow conditions over a smooth inclined plate obtained from simulations were compared with experimental profiles obtained using a μPIV technique. A detailed sensitivity study was also performed in order to understand the changes in the velocity profiles due to small change in liquid flow rate, temperature and inclination angle. As a next step, the developed model was extended to geometries resembling real corrugated sheets of packing used in industrial applications. In earlier numerical studies of structured packing, geometries were simplified to enable easy meshing and faster computation. In this work, the geometries of corrugated sheets of packing were developed without any simplification and the flow behaviour was studied using the model validated in the first step. The flow behaviour on sheets with different geometrical modifications such as smooth and triangular crimp surfaces as well as perforations on the sheets were numerically studied and quantitatively compared with experimental studies for the three different fluid test systems. The agreement between the simulations and experiments was within an acceptable range for all system. The difference in the interfacial area between the corrugated sheets of a packing with and without perforation was analyzed and the prediction ability of different empirical correlations for the interfacial area available in literature was also compared and discussed. Furthermore, the numerical study was extended to understand the influence of the second corrugated sheet. Studying the flow behaviour between two sheets experimentally is very challenging, especially inside opaque packing. The model proved to be a very suitable tool to study the hold-up of the liquid between two sheets, the change in wetting behaviour due to small change in liquid inlet position. The results are also in good agreement with the earlier experimental studies, where researchers measured the liquid hold-up mainly in the region where two corrugated sheets touch each other. The three-dimensional CFD model was validated to study the flow behaviour on corrugated sheets of packing. The results from the simulations agree very well with findings from the experimental studies in terms of wetting and hold-up.

Undesired air entrainment in bottom outlet conduits of dams may cause pressure transients, leading to conduit vibrations, blowback, discharge pulsation and even cavitation, and jeopardize the operational safety. Due to design limitations or construction costs, it is impossible to create an air free environment in a pressurized pipe. Therefore, it is essential to understand the air transport in enclosed pipes in order to provide guidance in bottom outlet design and operation. The commonly used criterion of the air-pocket movement in pipe flow is the water flow velocity for starting moving an air pocket, the so-called critical velocity. In this thesis, the classical Volume of Fluid (VOF) model combined with the k-ε turbulence model is adopted for the computation of the critical velocity of a 150-mm pipe. The computed critical velocities are compared with the experimental results. The governing parameters investigated in this study include pipe slope and diameter, wall shear stress and air-pocket volume. Meanwhile, the carrying capacity (air-pocket velocity/ flow velocity) at all pipe slopes are analyzed. The simulation results of air pockets with different volumes in the bottom outlet conduit of Letten Dam in Sweden are presented in this study. Moreover, experimental study was conducted to measure the critical velocity for a 240-mm Plexiglas pipe. The results are in agreement with the experiments performed by HR Wallingford (HRW) in 2003 in terms of the effects of pipe slope and air-pocket volume; however, the critical Froude pipe number is slightly smaller in this study. In rough pipes, a larger critical velocity is required compared with that in the smooth pipe. The removal mechanism in the rough pipe involves the successive loss of air caused by turbulence. This explains that the air-pocket size, with the dimensionless air-pocket volume n < 0.015, has little impact on the critical velocity for the rough pipe. In addition, roughness has little impact on the air-pocket velocity when it moves upstream in the downward inclined pipe. The trapped air bubbles most likely remain permanently in the rough pipe. / QC 20120110