Title Development of numerical models within the liquid film and Lagrangian spray framework Title (croatian) Razvoj numeričkih modela u području filma kapljevine na stijenci i Lagrangeova spreja Author Jakov Baleta Mentor Neven Duić (mentor)Committee member Milan Vujanović (predsjednik povjerenstva)Committee member Neven Duić (član povjerenstva)Committee member Ladislav Lazić (član povjerenstva)Committee member Klaus Pachler (član povjerenstva) Granter University of Zagreb Defense date and country 2016-07-27, Croatia Scientific / art field, TECHNICAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 53 - Physics Abstract Liquid film flow sheared by an external air flow field is a physical phenomenon encountered in many engineering applications such as: burners, rain on vehicle windows and aircraft wings, rocket nozzles, mist eliminators, heat exchangers, steam turbine blades and especially internal combustion (IC) engines. Specifically, liquid wall films affect chemical composition of the gas phase and wall thermal behaviour of these systems. The goal of this research is additional improvement of the Eulerian liquid wall film model through further development and implementation of numerical models with the ultimate aim of achieving more accurate and computationally efficient calculations. The research hypothesis is that improved, adopted and newly developed numerical models are going to enable numerical simulations of multicomponent liquid wall films, and that they could be then used in industrial applications. The first objective was adaptation and implementation of semi-empirical wall film rupturing model to the numerical computational fluid dynamics (CFD) framework, as well as the seven step reaction mechanism for SNCR process modelling. Furthermore, two multicomponent liquid film evaporation models were developed, the first one on the basis of analogy between momentum and mass transfer, and the second one employing modified wall functions which take into account influence of the evaporation on boundary layer above liquid film. Particular scientific contribution is in implementation of the UNIFAC method for activity coefficients calculation, which is employed for the first time in the area of liquid wall films. Finally, the suitable kinetical model of urea thermal decomposition was adjusted and incorporated into existing numerical framework as a step in the process of description of urea deposits influence on overall domain of the real flue gas aftertreatment system. Developed mathematical models were implemented by employing FORTRAN-based user functions that are connected to the main solver of the commercial CFD code Fire. Coupling between the liquid wall film and the gas phase is achieved through the source terms in the mass, energy, species and momentum conservation equations. The ultimate goal was to obtain results of all relevant chemical and physical phenomena that are satisfactory on both qualitative and quantitative basis. The accuracy of numerical modelling, where possible, was determined by comparison with available and relevant experimental data. Results show satisfactory agreement with experiments and encourage future applications of implemented models in industrial CFD applications.
Abstract (croatian) Strujanje filmova kapljevine na stjenci uzrokovano smičnim naprezanjem, kojega vrši vanjska struja zraka, je fizikalni fenomen koji se susreće u velikom broju inženjerskih aplikacija poput: gorionika, kiše na prozorima vozila i krilima zrakoplova, raketnih mlaznica, eliminatora kapljica, prijenosnika topline, lopatica plinskih turbina i, pogotovo motora s unutarnjim izgaranjem. Naime, filmovi kapljevine utječu na kemijski sastav plinske faze i termičko ponašanje stijenki tih sustava. Cilj ovog istraživanja je daljnje poboljšanje Eulerovog modela filma kapljevine na stjenci kroz razvoj i implementaciju numeričkih modela s konačnom svrhom postizanja točnijih i računalno efikasnijih kalkulacija. Hipoteza istraživanja je da će poboljšani, prilagođeni i novo razvijeni numerički modeli omogućiti numeričke simulacije višekomponentnih filmova na stjenci te da se isti mogu koristiti u industrijskim primjenama. Prva zadaća je bila prilagodba i implementacija poluempirijskog modela otkidanja filma u numeričko okruženje računalne dinamike fluida (RDF), kao i sedmostepenog reakcijskog mehanizma za modeliranje procesa selektivne nekatalitičke redukcije. Nadalje, razvijena su dva modela višekomponentnog isparavanja filmova kapljevine na bazi analogije između prijenosa mase i količine gibanja te modificiranih zidnih funkcija koje uzimaju u obzir utjecaj isparavanja filma na granični sloj iznad filma. Specifičan znanstveni doprinos predstavlja implementacija UNIFAC metode za izračun aktivacijskih koeficijenata, koja je po prvi puta primijenjena u području filmova kapljevine na stjenci. Konačno, pogodni kinetički model termalne dekompozicije uree je prilagođen i implementiran u postojeći numerički okvir, kao korak u procesu opisivanja utjecaja depozita uree na domenu čitavog sustava obrade ispušnih plinova. Razvijeni matematički modeli su implementirani upotrebom korisničkih funkcija u programskom jeziku FORTRAN koje su povezane s glavnim rješavačem komercijalnog računalnog RDF paketa Fire. Povezivanje između filma kapljevine i plinovite faze ostvaruje se kroz izvorske članove u jednadžbama održanja mase, energije, kemijskih vrsta i količine gibanja. Konačni cilj bio je dobiti rezultate svih relevantnih kemijskih i fizikalnih fenomena koji će biti zadovoljavajući, kako na kvalitativnoj, tako i kvantitativnoj bazi. Točnost numeričkog modeliranja utvrđena je usporedbom s dostupnim i relevantnim eksperimentalnim podacima gdje god je to bilo moguće. Rezultati pokazuju zadovoljavajuće slaganje s eksperimentima i potiču buduću primjenu implementiranih modela u industrijskim primjenama.
Keywords
analytical force balance
catalyst
computational fluid dynamics
Eulerian approach
film roughness
film rupturing
gas aftertreatment
Lagrangian spray
multicomponent evaporation
NOx reduction
reaction kinetics
selective catalytic reduction
selective non-catalytic reduction
turbulent boundary layer
UNIFAC method
urea deposits
urea thermal decomposition
urea water solution
wall function
wall film
Keywords (croatian)
analitička ravnoteža sila
katalizator
računalna dinamika fluida
Eulerov pristup
hrapavost filma
otkidanje filma
obrada ispušnih plinova
Lagrangeov sprej
višekomponentno isparavanje
NOx redukcija
reakcijska kinetika
selektivna katalitička redukcija
selektivna nekatalitička redukcija
turbulentni granični sloj
UNIFAC metoda
depoziti uree
termalna dekompozicija uree
vodena otopina uree
zidna funckija
film na stjenci
Language english URN:NBN urn:nbn:hr:235:326725 Study programme Title: Mechanical Engineering and Naval Architecture Type of resource Text File origin Born digital Access conditions Open access Terms of use Created on 2020-04-14 19:35:36
