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Publicação
Numerical Investigation of the Mixing Behaviour in a Transonic Wake of a Central Injector
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 5.86 MB | Adobe PDF |
Orientador(es)
Resumo(s)
A multitude of technical applications that involve chemical reactions rely on the mixing
of two or more gaseous components. One such example is found in process engineering,
where nanoparticles are produced in a shock wave flow reactor. Here, a precursor is
injected through a central injector into an accelerated transonic flow. Due to the high
flow velocity, the residence time in the reactor is short, thus requiring rapid mixing of the
two components. Previous studies by Anja Wohler and Judith Richter investigated and
improved mixing processes in such flow reactors. This dissertation examined transonic
wake flows with the objective of enhancing efficiency and reducing emissions. One
of the central injectors investigated by Wohler and Richter were modified, specifically
the injector angle. The injector trailing edge is positioned upstream of the throat of a
convergent-divergent nozzle. This represents an initially subsonic wake.
The transonic flow channel, located at Institute of Aerospace Thermodynamics (ITLR),
enables experimental investigations with controlled boundary conditions, which can then
be compared with the results obtained from numerical simulations. A comprehensive
set of parameters was analyzed for the injectors, including wake structures, static wall
pressure, the velocity field, and the spatial distribution of the injectant, the vortex shedding
frequency at the injector trailing edge, the half-witdh of the velocity and mass fraction,
the wake growth rate, as well as the Mach number and temperature profiles in the injector
wake.
Athree-dimensional simulationwas conducted utilising the Ansys CFX 23R2 software,
and the Mach number was observed to reach 1.7. The rate of growth of the wake could
be determined, and it was found to be higher than that of the preceding injector. This
indicates towards more homogeneous mixing.
In previous dissertations, the Unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations
(URANS) turbulence model was employed, utilising the Shear Stress Transport (SST)
turbulence model in ANSYS CFX, which has previously yielded satisfactory results with
a reasonable computational effort, and thus it was deemed appropriate to continue with
this methodology in this dissertation.
The numerical simulations exhibited the clear capture of vortices that periodically shed from the trailing edge, a phenomenon that is typical for a subsonic wake.
This thesis served as a continuation and further study of the issues identified in
Richter’s doctoral thesis. Following simulations and a comparison with experimental data,
the numerical method was validated for two different configurations. Richter’s thesis
identified that the influence of the shape of the injection opening and the trailing edge
thickness on the outcome had not yet been investigated. A need was also identified for
future work to analyse the influence of the injector in a parametric study. This included
an investigation of the location and shape of the injector and its influence on efficiency.
Um grande número de aplicações técnicas que envolvem reacções químicas depende da mistura de dois ou mais componentes gasosos. Um exemplo disso é encontrado na engenharia de processos, onde as nanopartículas são produzidas num reator de escoamento por ondas de choque. Aqui, um gás é injetado através de um injetor central num escoamento transónico acelerado. Devido à elevada velocidade do escoamento, o tempo de permanência no reator é curto, exigindo assim uma mistura rápida dos dois componentes. Estudos anteriores de AnjaWohler e Judith Richter investigaram e melhoraram os processos de mistura em tais reactores de fluxo. Esta dissertação examinou os escoamentos de esteira transónicos com o objetivo de aumentar a eficiência e reduzir as emissões. Um dos injectores centrais investigados por Wohler e Richter foi modificado, especificamente o ângulo do injetor. O bordo de fuga do injetor é posicionado a montante da garganta de um bico convergente-divergente. Isto representa uma esteira inicialmente subsónica. O canal de escoamento transónico, localizado no Instituto de Termodinâmica Aeroespacial (ITLR), permite investigações experimentais com condições de fronteira controladas, que podem depois ser comparadas com os resultados obtidos a partir de simulações numéricas. Foi analisado um conjunto abrangente de parâmetros para os injectores, incluindo as estruturas da esteira, a pressão estática na parede, o campo de velocidade e a distribuição espacial do injectante, a frequência de formação de vórtices no bordo de fuga do injetor, a meia altura da velocidade e da fração de massa, a taxa de crescimento da esteira, bem como o número de Mach e os perfis de temperatura na esteira do injetor. Foi efectuada uma simulação tridimensional utilizando o software Ansys CFX 23R2, tendo-se observado que o número de Mach atingia 1,7. Foi possível determinar a taxa de crescimento da esteira, que se revelou mais elevada do que a do injetor anterior. Isto indica uma mistura mais homogénea. Em dissertações anteriores, foi utilizado o modelo de turbulência URANS, utilizando o modelo de turbulência SST no ANSYS CFX, que anteriormente produziu resultados satisfatórios com um esforço computacional razoável, pelo que se considerou adequado continuar com esta metodologia nesta dissertação. As simulações numéricas mostraram a captura clara de vórtices que se desprendem periodicamente do bordo de fuga, um fenómeno típico de uma esteira subsónica. Esta tese serviu como continuação e aprofundamento das questões identificadas na tese de doutoramento de Richter. Após simulações e uma comparação com dados experimentais, o método numérico foi validado para duas configurações diferentes. A tese de Richter identificou que a influência da forma da abertura de injeção e da espessura do bordo de fuga no resultado ainda não tinha sido investigada. Foi também identificada a necessidade de trabalhos futuros para analisar a influência do injetor num estudo paramétrico. Este estudo incluiu uma investigação da localização e da forma do injetor e da sua influência na eficiência.
Um grande número de aplicações técnicas que envolvem reacções químicas depende da mistura de dois ou mais componentes gasosos. Um exemplo disso é encontrado na engenharia de processos, onde as nanopartículas são produzidas num reator de escoamento por ondas de choque. Aqui, um gás é injetado através de um injetor central num escoamento transónico acelerado. Devido à elevada velocidade do escoamento, o tempo de permanência no reator é curto, exigindo assim uma mistura rápida dos dois componentes. Estudos anteriores de AnjaWohler e Judith Richter investigaram e melhoraram os processos de mistura em tais reactores de fluxo. Esta dissertação examinou os escoamentos de esteira transónicos com o objetivo de aumentar a eficiência e reduzir as emissões. Um dos injectores centrais investigados por Wohler e Richter foi modificado, especificamente o ângulo do injetor. O bordo de fuga do injetor é posicionado a montante da garganta de um bico convergente-divergente. Isto representa uma esteira inicialmente subsónica. O canal de escoamento transónico, localizado no Instituto de Termodinâmica Aeroespacial (ITLR), permite investigações experimentais com condições de fronteira controladas, que podem depois ser comparadas com os resultados obtidos a partir de simulações numéricas. Foi analisado um conjunto abrangente de parâmetros para os injectores, incluindo as estruturas da esteira, a pressão estática na parede, o campo de velocidade e a distribuição espacial do injectante, a frequência de formação de vórtices no bordo de fuga do injetor, a meia altura da velocidade e da fração de massa, a taxa de crescimento da esteira, bem como o número de Mach e os perfis de temperatura na esteira do injetor. Foi efectuada uma simulação tridimensional utilizando o software Ansys CFX 23R2, tendo-se observado que o número de Mach atingia 1,7. Foi possível determinar a taxa de crescimento da esteira, que se revelou mais elevada do que a do injetor anterior. Isto indica uma mistura mais homogénea. Em dissertações anteriores, foi utilizado o modelo de turbulência URANS, utilizando o modelo de turbulência SST no ANSYS CFX, que anteriormente produziu resultados satisfatórios com um esforço computacional razoável, pelo que se considerou adequado continuar com esta metodologia nesta dissertação. As simulações numéricas mostraram a captura clara de vórtices que se desprendem periodicamente do bordo de fuga, um fenómeno típico de uma esteira subsónica. Esta tese serviu como continuação e aprofundamento das questões identificadas na tese de doutoramento de Richter. Após simulações e uma comparação com dados experimentais, o método numérico foi validado para duas configurações diferentes. A tese de Richter identificou que a influência da forma da abertura de injeção e da espessura do bordo de fuga no resultado ainda não tinha sido investigada. Foi também identificada a necessidade de trabalhos futuros para analisar a influência do injetor num estudo paramétrico. Este estudo incluiu uma investigação da localização e da forma do injetor e da sua influência na eficiência.
Descrição
Palavras-chave
ANSYS CFX Numerical simulations Mixture Central injector Transonic Flow