Multilayer particle resuspension in a turbulent flow

Abstract

Αυτή η μεταπτυχιακή εργασία πραγματεύεται την επαναιώρηση σωματιδίων που έχουν προσκολληθεί σε επιφάνειες, όταν υπόκεινται σε τυρβώδη ροή. Κίνητρο της εργασίας αποτέλεσε η επαναιώρηση ραδιενεργών σωματιδίων γραφίτη μέσα στους αγωγούς μίας ειδικής κατηγορίας πυρηνικών αντιδραστήρων. Για τη συγκεκριμένη αυτή εφαρμογή, η εργασία ασχολείται με επαναιώρηση σωματιδίων σκόνης γραφίτη με διάμετρο από 1 έως 20 μm. Ένα καινοτόμο μοντέλο ισοζυγίου δυνάμεων εισάγεται ώστε να μελετήσει αριθμητικά την επαναιώρηση σωματιδίων μέσα σε έναν αγωγό, στον οποίο έχουν τοποθετηθεί περιοδικά εμπόδια κατά το μήκος του. Τα σωματίδια θεωρείται ότι αποκολλώνται από τις επιφάνειες όταν οι αεροδυναμικές δυνάμεις που τους ασκούνται ξεπεράσουν τις δυνάμεις πρόσφυσης που αναπτύσσονται μεταξύ τους ή μεταξύ των σωματιδίων και του τοιχώματος. Τα αποτελέσματα από την αριθμητική προσομοίωση συγκρίνονται με πειραματικά δεδομένα που ελήφθησαν στα εργαστήρια του ερευνητικού κέντρου HZDR. Κατασκευάστηκε ένας αλγόριθμος ικανός να αναπαράγει ορισμένα πολυ-επίπεδα ιζήματα σωματιδίων. Μετά την ανακατασκευή κλίνης σωματιδίων, που προσομοιάζει τα πειραματικά δεδομένα, ενεργοποιείται μία διαδικασία αναγνώρισης "συστάδων" σωματιδίων. Θεωρείται ότι σε πολυ-επίπεδα ιζήματα, τα σωματίδια τείνουν να επαν-εισέρχονται στη ροή ως συστάδες σωματιδίων, παρά ως ανεξάρτητα. Κάθε μία συστάδα σωματιδίων λαμβάνει μία πιθανότητα επαναιώρησης. Η πιθανότητα αυτή προκύπτει από την κατανομή των διατμητικών τάσεων στο τοίχωμα (απόρροια του ισοζυγίου δυνάμεων) και της χρονικής εξέλιξης του φαινομένου (εικασία ότι η επαναιώρηση φθίνει με την πάροδο του χρόνου). Οι διατμητικές τάσεις υπολογίζονται με δύο τρόπους, από τις χρονικά μεταβαλλόμενες λύσεις της Προσομοίωσης Μεγάλων Δινών (LES) και από τη χρονικά μέση τιμή των λύσεων αυτών. Κατά την επίλυση των εξισώσεων ροής, η διεπιφάνεια μεταξύ του ρευστού και της κλίνης σωματιδίων θεωρείται ως σύνορο του πεδίου επίλυσης, καθώς το ίζημα θεωρείται αδιαπέραστο από το ρευστό. Η ταχύτητα του ρευστού αυξάνεται σταδιακά, προκαλώντας την αποκόλληση ολοένα και περισσότερων σωματιδίων από τις επιφάνειες. Όταν μία συστάδα σωματιδίων επαναιωρείται, το πάχος του ιζήματος καταγράφεται. Τα αποτελέσματα της αριθμητικής επίλυσης δείχνουν ικανοποιητική συμφωνία με τις πειραματικές μετρήσεις σε ότι αφορά τις χρονικά μεταβαλλόμενες λύσεις του μοντέλου τύρβης LES. Αυτό οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η διατμητική τάση στο τοίχωμα λειτουργεί ως ο κύριος μηχανισμός επαναιώρησης.

The work presented in this Master's thesis deals with particle re-entrainment from a multilayer particle bed exposed to a turbulent gas flow. Background motivation is the remobilization of radioactive graphite particles in the primary circuit of a gas-cooled high temperature reactor. In this particular case, the work focuses on resuspension of graphite particles with a size ranging from 1 to 20 μm. A novel force balance model is introduced to numerically investigate particle resuspension in an obstructed channel flow. Detachment of particle clusters off the multilayer particle bed is assumed when the aerodynamic force overcomes the adhesive force. The numerical results are compared to experimental data performed at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. An algorithm is developed to reconstruct the structure of a multilayer deposit. Following the recreation of a multilayer particle bed, resembling that of the experiments, is a cluster identification procedure. It is considered that in multilayer deposits, aggregates (particle clusters) re-enter the flow. Resuspension of individual particles is unlikely. Each cluster is assigned a resuspension probability. This probability relates with the resultant of the distribution of the wall shear stresses along the deposit (derived from a force balance model) and the time evolution of the phenomenon (conjecture of inverse time law). The wall shear stress was computed by two methods, first by the fully unsteady Large Eddy Simulation (LES) and secondly by the time-averaged solution of the LES. When solving the flow equations, the particle bed was considered as impermeable. The granular interface was thus considered a bounding geometry. The gas flow was increased gradually to trigger sudden resuspension. Whenever a cluster resuspended, the thickness layer was determined. The numerical results showed satisfactory agreement with experimental data, especially for unsteady LES. This confirmed the assumption that wall shear stress is the main resuspension mechanism.