Modelling of mass transfer and chemical reactions in turbulent flows

Research Project, 2014 – 2016

De flesta flöden i industriella kemitekniska processer är turbulenta. Det har sina naturliga orsaker eftersom omblandning, mass- och värmetransport sker mycket mer effektivt i turbulenta flöden. Det finns moderna simuleringsverktyg inom strömningsberäkningar CFD t.ex. ´large eddy simulering´ LES som kan simulera turbulenta flödet med mycket god precision men som kräver mycket stor dator kapacitet. Begränsningen med dessa modeller är den numeriska rumsupplösningen som vid simulering av större processutrustningar hamnar i området från några millimeter till någon centimeter. Alla fenomen som sker på en nivå mindre än beräkningscellernas storlek måste modelleras. Tyvärr hamnar mycket av de fenomen som är viktiga inom den kemitekniska modelleringen inom denna kategori. Dit hör t.ex. snabba kemiska reaktioner, koalescens och uppbrytning av bubblor och droppar samt masstransport över fasgränsytor. Vi har under många år arbetat med att ta fram modeller som kan beskriva dessa fenomen s.k. ´subgrid´ modeller och för att ta fram bra modeller behöver vi förstå turbulensen på den skalan och det är målet med detta projekt. Turbulens kan beskrivas genom de turbulenta virvlar s.k. koherenta strukturer som finns i turbulensen. Dessa bildas, växer till, interagerar med omgivningen och bryts ned. Det har visats att all turbulent energi finns i dessa koherenta strukturer. De har en livslängd i vanliga industriella processer på några millisekunder upp till sekunder och alla snabba fenomen t.ex. uppbrytning och koalescens av bubblor och droppar samt snabba kemiska reaktioner bestäms av interaktionen med enstaka koherenta strukturer. Traditionellt har man använt turbulenta egenskaper som kan beskrivas med ´inertial subrange´ d.v.s. ett område med relativt väldefinierad turbulens för att modellera dessa egenskaper. Det är helt fel av tre skäl. För det första så är turbulensen så låg i vanliga kemitekniska process anläggningar att det inte finns någon ´inertial subrange´. För det andra så är variationen i intensitet och livslängd mellan olika virvlar av samma storlek så stor så att ett medelvärde blir meningslöst. För det tredje så följer bubblor, droppar och kemiska ämnen med flödet och stannar i de turbulenta virvlarna så länge de finns och en tänkt interaktion med många turbulenta virvlar är helt missvisande. Vi behöver bygga en förståelse av turbulens som baseras på de turbulenta virvlarnas utveckling i tiden och inte enbart på variationen i rummet. Vi har i vårt pågående projekt utvecklat en tillförlitlig simuleringsmetod baserad på LES och tagit fram metoder att visualisera koherenta turbulenta strukturer med s.k. Q-kriteriet. Dessa metoder behöver nu byggas vidare. Q-kriteriet beskriver bara kärnan av en turbulent virvel och vi behöver även beskriva flödet i den närmaste omgivningen för att på ett korrekt sätt beräkna den turbulenta kinetiska energin som är relaterad till de olika turbulenta virvlarna. Dessutom är en koherent struktur bara en struktur och precis som en våg på havet ser ut att röra sig i vindens riktning trots att vattnet inte följer med så kan man inte vara säker på att Q-kriteriet beskriver fluidens rörelse. Våra preliminära resultat har dock visat att kärnan av de koherenta strukturerna följer med flödet med men att den yttre delen kan ha en annan rörelse. Vi har därför inkluderat en s.k. Lagransk analys av de koherenta strukturera genom att i flödet lägga in masslösa partiklar som följs i tiden. Vi har under många år arbetat med att ta fram mer traditionella modeller för masstransport, omblandning kopplat med snabba kemiska reaktioner samt dynamiken i flerfasströmning men har alltmer kommit till insikt att vi först måste förstå dynamiken i turbulens för att få den fasta grunden som behövs för att utveckla övriga modeller. Vårt mål i detta projekt är att ta fram sannolikhetsfördelning för ett mångdimensionellt turbulent spektra som beskriver var turbulenta strukturer bildas, hur de hämtar upp energi, växer till, rör på sig och bryts ned.