Flerfasestrømning er av betydning i en lang rekke anvendelser, blant annet i olje- og gassindustrien, i den kjemiske og i prosessindustrien, inkludert i varmepumpende systemer, samt i sikkerhetsanalyse av kjernekraftverk. Denne avhandlingen analyserer modeller for tofasestrømning, og metoder for numerisk løsning av disse modellene. Den er derfor ett bidrag til å utvikle pålitelige ingeniørverktøy for flerfase-anvendelser. Slike verktøy trengs og forventes av ingeniører i industrien. Den tilnærmede Riemann-løseren framsatt av Roe har blitt studert. Roe-skjema for tre ulike modeller for tofasestrømning har blitt implementert i rammen av en standard numerisk algoritme for løsning av hyperbolske bevaringslover. Disse skjemaene har blitt analysert ved hjelp av referanse-regnestykker fra litteraturen, og ved sammenlikning med hverandre. Et Roe-skjema for den fire-liknings ettrykks tofluid-modellen har blitt implementert, og det har blitt vist at en andreordens utvidelse basert på bølge-dekomponering og fluksdifferanse-splitting virker godt, og gir forbedrede resultater sammenliknet med det førsteordens skjemaet. Det har blitt foreslått et Roe-skjema for en fem-liknings totrykks tofluid-modell med trykkrelaksering. Bruken av analoge numeriske metoder for fire-liknings- og fem-liknings-modellene gjorde det mulig med en direkte sammenlikning av en metode med og uten trykkrelaksering. Numeriske eksperiment demonstrerte at de to framgangsmåtene konvergerte til samme resultat, men at den fem-liknings trykkrelakserings-metoden var betydelig mer dissipativ, særlig for kontakt-diskontinuiteter. Videre viste beregninger at selv om fem-liknings-modellen har reelle egenverdier, så produserte den oscillasjoner for tilfeller der fire-liknings-modellen hadde komplekse egenverdier. Et Roe-skjema har blitt konstruert for driftfluks-modellen med generelle lukningslover. Roe-matrisen er helt analytisk for det tilfellet at man kan anvende Zuber-Findlay-slipp-loven som beskriver boblestrømning. Dermed er dette Roe-skjemaet mer effektivt enn tidligere fullt numeriske Roe-skjema for driftfluks-modellen. En isentropisk diskret-nivå-flerfasemodell har blitt presentert. En diskusjon av hvordan man kan ta hensyn til ulike interfase-trykkmodeller har blitt gitt. Med de passende modellene for interfase-trykk og -fart, var samsvaret svært godt mellom diskret-nivå-modellen og det fem-liknings Roe-skjemaet. Multi-steg- (MUSTA) metoden har som siktemål å komme nær oppstrøms-metodene i nøyaktighet, samtidig som den bevarer enkelheten til sentrerte skjema. Her har metoden blitt brukt på driftfluks-modellen. Når antallet steg økes, nærmer resultatene fra MUSTA-metoden seg det man får med Roe-metoden. De gode resultatene til MUSTA-metoden er avhengige av at man bruker et stort nok lokalt grid. Derfor er hovedfordelen med MUSTA-metoden at den er enkel, snarere enn at man sparer regnetid. En karakteristikk-basert metode for å spesifisere grensebetinglser for flerfase-modeller har blitt testet, og funnet å virke godt for transiente problem. / This thesis analyses models for two-phase flows and methods for the numerical resolution of these models. It is therefore one contribution to the development of reliable design tools for multiphase applications. Such tools are needed and expected by engineers in a range of fields, including in the oil and gas industry. The approximate Riemann solver of Roe has been studied. Roe schemes for three different two-phase flow models have been implemented in the framework of a standard numerical algorithm for the solution of hyperbolic conservation laws. The schemes have been analysed by calculation of benchmark tests from the literature, and by comparison with each other. A Roe scheme for the four-equation one-pressure two-fluid model has been implemented, and a second-order extension based on wave decomposition and flux-difference splitting was shown to work well and to give improved results compared to the first-order scheme. The convergence properties of the scheme were tested on smooth and discontinuous solutions. A Roe scheme has been proposed for a five-equation two-pressure two-fluid model with pressure relaxation. The use of analogous numerical methods for the five-equation and four-equation models allowed for a direct comparison of a method with and without pressure relaxation. Numerical experiments demonstrated that the two approaches converged to the same results, but that the five-equation pressure-relaxation method was significantly more dissipative, particularly for contact discontinuities. Furthermore, even though the five-equation model with instantaneous pressure relaxation has real eigenvalues, the calculations showed that it produced oscillations for cases where the four-equation model had complex eigenvalues. A Roe scheme has been constructed for the drift-flux model with general closure laws. For the case of the Zuber-Findlay slip law describing bubbly flows, the Roe matrix is completely analytical. Hence the present Roe scheme is more efficient than previous fully numerical Roe schemes for the drift-flux model. An isentropic discrete-equation multiphase model has been presented. The incorporation of different interfacial-pressure models was discussed, and examples were given. With the adequate models for the interfacial pressure and velocity, the agreement was very good between the discrete-equation model and the five-equation Roe scheme. The flux-limiter centred (FLIC) scheme was tested for the four-equation two-fluid model. Only the first-order version (FORCE) of the scheme was found to work well, but it was rather diffusive. The purpose of the multi-stage (MUSTA) method is to come close to the accuracy of upwind schemes while retaining the simplicity of centred schemes. Here it has been applied to the drift-flux model. As the number of stages was increased, the results of the MUSTA scheme approached those of the Roe method. The good results of the MUSTA scheme were dependent on the use of a large-enough local grid. Hence, the main advantage of the MUSTA scheme is its simplicity. A multiphase characteristic-based boundary-condition method has been tested, and it was shown to be workable for transient problems.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:ntnu-679 |
| Date | January 2006 |
| Creators | Munkejord, Svend Tollak |
| Publisher | Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, Fakultet for ingeniørvitenskap og teknologi |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Doctoral thesis, monograph, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | Doktoravhandlinger ved NTNU, 1503-8181 ; 2005:219 |
Page generated in 0.002 seconds