Direct numerical simulation of turbulent channel flow with condensation
Diese Arbeit präsentiert direkte numerische Simulationen von turbulenter Strömung feuchter Luft durch einen gekühlten, vertikalen Kanal. Die Kombination von Feuchtigkeit, Temperatur und Mischkonvektion tritt in der Belüftung von Fahrgasträumen auf. In dieser Anwendung stellt unerwünschte Kondensation an kühlen Oberflächen wie Fenstern und Windschutzscheibe ein Problem dar, das die Nutzung des Fahrzeugs kurz- oder langfristig beeinträchtigt. Die Wechselwirkung zwischen Auftrieb, Konvektion und Phasenübergängen berührt gleichermaßen die Thermodynamik und die Fluidmechanik. Für die Rahmenbedingungen, die für die Belüftung in Automobilen relevant sind, kann die Strömung von flüssigem Wasser vernachlässigt werden. Die direkte numerische Simulation betrachtet deshalb nur die Gasphase und modelliert den Einfluss des Phasenübergangs nur im Hinblick auf die feuchte Luft. Flüssiges Wasser wird entweder komplett vernachlässigt oder als Kondensattropfen nachempfundene Wandverformung behandelt. Mithilfe von Simulationen mit und ohne Phasenübergang und mit und ohne Wandverformung wird der Einfluss der unterschiedlichen Faktoren voneinander getrennt untersucht. Die entgegengesetzte Wirkung von Auftrieb, der direkt aus dem Abkühlen und Trocknen der feuchten Luft an der Wand resultiert, und dem Auftrieb, der durch die freiwerdende Kondensationswärme zustande kommt, dämpft den Einfluss der gekühlten Wand auf die Strömung im Vergleich zu gekühlter Kanalströmung ohne Kondensation. In den Simulationen mit Wandverformung durch angelagertes Kondensat verursachen diese Verformungen einen positiven Feedback-Loop, der die Kondensationsraten an der Oberfläche von bereits existierenden Tropfen verstärkt.
This thesis presents direct numerical simulations of turbulent humid air flow through a cooled vertical channel at atmospheric conditions. The combination of humidity, temperature and mixed convection is relevant to the ventilation of car interiors, where condensation on critical surfaces such as windows and windshield poses a problem to its immediate or long-term usability. The interaction between buoyancy, convective transport, and phase transitions creates a complex multi-physics problem at the intersection of thermodynamics and fluid dynamics. For the specific range of flow parameters relevant to automotive ventilation, the influence of the liquid phase dynamics is negligible compared to the flow of the gas phase. Leveraging this fact, the single-phase simulation approach uses direct numerical simulations for the solution of the flow fields for the gas phase, including the effect of the phase transition on the velocity, temperature, and vapour concentration of the humid air. It disregards the dynamics within the liquid phase, either neglecting the liquid completely or modelling condensate droplets as static, solid wall deformations. Simulations with and without phase transitions and with and without wall deformations serve to isolate the specific effect of the different influence factors. The combination of direct buoyancy from the cooling and drying of the humid air near the cooled channel wall and the opposing buoyancy contribution from the released latent heat damps the overall influence of the cooled surface on the flow fields compared to cooled channel flow without condensation. In simulations including wall deformations mimicking condensate droplets, the flow across these obstacles create a positive feed-back loop for condensation, increasing the rates at existing droplets.
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