Near-interface turbulence structure in co-current gas-liquid stratified flows

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Azevedo, Victor Wagner Freire de
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/216397
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2020.
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spelling Near-interface turbulence structure in co-current gas-liquid stratified flowsEngenharia mecânicaEscoamento multifásicoTurbulênciaTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2020.Escoamentos estratificados estão presentes em diferentes processos na indústria e fenômenos naturais. Embora diferentes modelos de fechamento para este tipo de escoamento estejam disponíveis na literatura, o estudo da estrutura da turbulência na região próxima à interface liquido-gás e suas diferenças e semelhanças com a turbulência nas regiões próximas à parede, mais conhecida, é um tópico ainda aberto na literatura. Poucos estudos na literatura analisaram a estrutura da turbulência nas proximidades de interfaces gás-liquido em escoamentos estratificados e os efeitos de variáveis fundamentais neste tipo de escoamento como altura de filme e tensão superficial não foram analisados. A presente tese estuda a estrutura da turbulência próximo à interface considerando um escoamento estratificado co-corrente limitado por paredes. O estudo numérico é desenvolvido utilizando Simulação Numérica Direta (DNS) baseado no método VOF (do inglês \"volume of fluid\") para resolver ambas as fases do escoamento levando em conta diferentes tensões superficiais e alturas de filme. A partir destas simulações de grande porte, foi possível obter diferentes estatísticas da turbulência e sua estrutura nas proximidades da interface e paredes. Diferenças na estrutura da turbulência são estudadas com base nos parâmetros descritos, isto é, altura de filme e tensão superficial, e é mostrado que enquanto a tensão superficial tem uma pequena influência no amortecimento da turbulência, a influência da altura do filme é significativa. Os resultados permitiram também observar as diferenças e semelhanças da estrutura da turbulência nas proximidades da interface e da parede. Os principais parâmetros, como velocidade medias e tensões turbulentas, não apresentaram em geral, diferenças significativas, mostrando que o uso de relações de fechamento baseadas em similaridade com o escoamento próximo de paredes é aceitável. No entanto, estatísticas de maior ordem, como dissipação de energia cinética turbulenta, apresentaram diferenças mais significativas. Adicionalmente, um estudo experimental é realizado utilizando Velocimetria por laser Doppler (LDV) para a caracterização da turbulência no filme de líquido baseado em estatísticas de baixa ordem. Resultados experimentais, no escoamento estratificado, mostraram a influência da tensão na interface na velocidade e flutuações no filme de líquido.Abstract: Stratified flows are present in many different industrial processes and environmental phenomena. Even though some closure models to this kind of flow can be encountered in literature, a detailed understanding of turbulence structure behaviour in the gas-liquid near-interface region compared to well-known near-wall region behaviour is a topic still open in literature. Some studies in literature analysed turbulence structure in the near-interface region of gas-liquid stratified flows, but the effects of fundamental variables in this kind of flow, such as surface tension and film height need further analysis. The present thesis is focused on the study of near-interface turbulence structure considering a co-current stratified flow situation bounded by no-slip walls. Direct Numerical Simulation is applied in a Volume of Fluid framework to solve both phases based on different surface tension coefficients and film heights. These simulations allowed the determination of different turbulence flow statistics and structure in near-wall and -interface regions. Based on the described parameters, i.e., film height and surface tension, differences in turbulence structure are shown; while surface tension has a small influence in turbulence damping, film height influence is expressive. Results also allowed the comparison of turbulence structure between near-wall and -interface regions. Parameters like mean velocity and Reynolds stresses did not show significant differences between the cases, which lead to the conclusion that the application of closure relations based on near-wall-similarity relations is acceptable for the gas phase in stratified flows. Nonetheless, higher-order statistics, such as viscous dissipation rate, showed significant differences. In addition, an experimental study is performed with laser Doppler Velocimetry for the characterization of the turbulent field in the liquid film based on low-order statistics in a stratified flow. The experimental results showed the influence of interfacial shear stress in liquid film velocity and fluctuations.Paladino, Emilio ErnestoUniversidade Federal de Santa CatarinaAzevedo, Victor Wagner Freire de2020-10-21T21:29:12Z2020-10-21T21:29:12Z2020info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis163 p.| il., gráfs.application/pdf369986https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/216397engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2020-10-21T21:29:12Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/216397Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732020-10-21T21:29:12Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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