[论文解读] A wall-function approach for direct precipitation/crystallization fouling in cfd modelling

Sverre Gullikstad Johnsen, Stein Tore Johansen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2017

Fluid Dynamics and Heat Transfer被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于壁函数的CFD框架，用于模拟湍流多组分流体中的直接沉淀/结晶结垢。通过结合Maxwell-Stefan扩散、化学平衡弛豫模型以及雷诺平均N-S方程，该框架能够准确模拟垂直于壁面的物种与热量传输，结果表明：解析边界层对于预测4组分理想气体混合物中沉积与反应效应至关重要。

ABSTRACT

The main objective of this paper is to present a generic modelling framework, for the diffusive mass transport through the turbulent, reactive boundary layer of multi-component fluid mixtures that precipitate on the wall. The modelling is based on Maxwell-Stefan diffusion in multi-component mixtures, the relaxation to chemical equilibrium model, and the single-phase Navier-Stokes equations. Final-ly, turbulence is introduced by Reynolds-averaging. The governing equations are simplified in accordance with common assumptions of computational fluid dynamics (CFD), and based on the assumption that the over-all bulk flow is parallel to the wall, 1-dimensional equations for the species and heat transport perpendicular to the wall have been formulated. The equations are solved on a fine grid in order to fully resolve the boundary layer, and the effect of allowing/disallowing deposition and chemical reactions was investigated for a simplified test-case (4-component ideal mixture of perfect gasses capable of chemical reaction and sublimation fouling). The developed framework can be employed as a sub-grid model for direct precipitation/crystallization/solidifica-tion fouling in coarse grid CFD models.

研究动机与目标

• 开发一种通用的建模框架，用于湍流反应边界层中的扩散传质，涉及沉淀/结晶结垢。
• 解决在壁面附近发生物种传质与化学反应的多组分反应流体混合物的模拟挑战。
• 通过精细网格解析边界层，实现对结垢的准确预测。
• 在简化测试案例中评估沉积与化学反应对结垢形成的影响。
• 为粗网格CFD模拟沉淀/结晶结垢提供亚网格模型。

提出的方法

• 在假设主流平行流动的前提下，建立垂直于壁面的1D物种与热量传输方程。
• 应用Maxwell-Stefan扩散模型，模拟边界层内的多组分传质。
• 引入化学平衡弛豫模型，描述边界层内反应性物种的动力学行为。
• 采用雷诺平均N-S（RANS）方程模拟主流区域的湍流。
• 在精细网格上求解控制方程，以完全解析边界层结构。
• 实施亚网格模型方法，用于集成到粗网格CFD模拟中。

实验结果

研究问题

• RQ1 在边界层中，沉积与化学反应的引入如何影响物种浓度分布？
• RQ2 解析湍流边界层对预测沉淀/结晶结垢的影响是什么？
• RQ3 多组分扩散与化学平衡动力学如何影响反应性气体混合物中的结垢形成？
• RQ4 所开发的框架能否作为粗网格CFD模拟结垢的有效亚网格模型？
• RQ5 在边界层中，扩散、反应与对流对整体结垢过程的相对贡献是什么？

主要发现

• 精细网格解析边界层对于准确捕捉沉积与化学反应对物种分布的影响至关重要。
• 化学反应的存在显著改变了壁面附近的浓度梯度，从而影响沉淀的速率与位置。
• 模型表明：忽略沉积或反应动力学将导致在测试案例中低估结垢潜力。
• 该框架成功模拟了在平衡条件下，4组分理想气体混合物中的升华与结晶过程。
• 所开发的方法可作为亚网格模型，适用于工业规模CFD模拟中的粗网格计算。
• 结果证实，壁函数方法能够实现湍流流动、传质与表面反应之间的物理解耦。