numerical study on particle sedimentation and - ETH E

Diss. ETH No. 22768
NUMERICAL STUDY ON PARTICLE
SEDIMENTATION AND DEPOSITION
IN TURBIDITY CURRENTS
A dissertation submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
Tarun Chadha
MSc. Mech. Eng., ETH Zurich
born on January 21, 1986
citizen of India
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. L. Kleiser, examiner
Prof. Dr. P. Jenny, co-examiner
2015
Abstract
Particulate gravity currents are of immense interest to scientists from
diverse disciplines due to their impact on phenomena ranging from the formation of sea floor features to destructive effects on industrial equipment.
In the present thesis particulate gravity currents are studied by means of
highly resolved direct numerical simulations (DNS) of laboratory scale
models on massively parallel computing platforms. The particulate phase
is represented either in an Eulerian or a Lagrangian fashion.
First, simulations of either purely depositional or purely resuspending
gravity currents are performed. The temporal evolution of the front
location, of the energy budget terms and of the suspended mass are compared to demonstrate differences between these currents. A substantial
error is found in one of the widely used boundary conditions used to
model deposition of particles. The source of this error is pointed out and
the temporal evolution and spatial distribution of the error is discussed.
Furthermore, the magnitude of this error is shown to strongly depend on
the physical parameters of the setup.
Next, the effect of added diffusion, represented by the Schmidt number in the advection-diffusion equation for the particle concentration,
is investigated. Both the Eulerian-Eulerian and Eulerian-Lagrangian
simulations are performed varying the Schmidt number, the particle type
and the Reynolds number. Significant effects of the added diffusion,
depending on the parameters of the problem, are demonstrated. The
largest effects were found in currents composed of fine particles and at
low Reynolds numbers. The effects are shown to be significant up to the
highest Reynolds number (Re = 5000) considered in this work. This has
important implications as most of the existing DNS of such flows are
performed at Re ≤ 5000.
Finally, the effect of spanwise confinement on the dynamics of particulate gravity currents is investigated. Three-dimensional simulations
are performed with either periodic or symmetry or no-slip boundary conditions at the lateral boundaries. Rectangular channels of two different
aspect ratios are considered and the analysis is performed for both fine
and coarse particle currents. Considerable effects on quantities such as
the front location, particle deposition rate, the energy budget terms and
the spanwise-averaged current structure are demonstrated.
Apart from the above-mentioned studies, a few two-dimensional simulations of bidisperse particulate gravity currents are presented. Also
the simulation results are compared to experimental data from literature.
An overall good agreement for coarse particles is demonstrated and the
differences are discussed.
Kurzfassung
Partikelbeladene Schwereströmungen sind aufgrund ihrer Einflüsse
auf verschiedene Phänomene, von der Bildung von Meeresbodeneigenschaften bis hin zu zerstörenden Effekten auf industrielle Anlagen, für
Wissenschaftler verschiedenster Felder von grossem Interesse. In der
vorliegenden Arbeit werden partikelbeladene Schwereströmungen auf
dem Labormassstab mittels hochaufgelöster direkter numerischer Simulationen (DNS) auf massiv-parallelen Rechnern untersucht. Eine EulerBeschreibung der Fluidphase wird verwendet. Die Partikelphase wird je
nach Bedarf mit einer Euler- oder Lagrange-Beschreibung repräsentiert.
Zunächst werden Simulationen rein sedimentierender oder rein resuspendierender Schwereströmungen durchgeführt. Um die Unterschiede
zwischen diesen Strömungen zu zeigen, werden der zeitliche Verlauf
der Frontposition, der Energiebilanzterme und der suspendierten Masse
verglichen. In einer häufig verwendeten Randbedingung für die Modellierung der Partikeldeposition wird ein schwerwiegender Fehler gefunden.
Der Fehler wird erläutert und die zeitliche Entwicklung und räumliche
Verteilung wird diskutiert. Zusätzlich wird gezeigt, dass die Auswirkung
des Fehlers stark von den physikalischen Parametern der Strömung abhängt.
Des Weiteren wird der Einfluss künstlich hinzugefügter Diffusion
untersucht, repräsentiert durch die Schmidt-Zahl in der AdvektionsDiffusions-Gleichung für die Partikelkonzentration (Euler-Beschreibung).
Euler-Euler- und Euler-Lagrange-Simulationen werden unter Variation
der Schmidt-Zahl, des Partikeltyps und der Reynolds-Zahl durchgeführt.
Dabei wird abhängig von den Parametern des Problems ein starker
Einfluss der künstlich hinzugefügten Diffusion gezeigt. Der Einfluss ist
in Strömungen mit kleinen Partikeln und kleinen Reynolds-Zahlen am
grössten und bleibt bedeutend bis zu den höchsten Reynolds-Zahlen
(Re = 5000), die in dieser Arbeit berücksichtigt werden. Dies ist von
Bedeutung, da die meisten bisherigen DNS derartiger Strömungen bei
Re ≤ 5000 durchgeführt wurden.
Abschliessend wird der Effekt von seitlichen Wänden auf die Dynamik
von partikelbeladenen Schwereströmungen untersucht. Dreidimensionale
Simulationen mit einer entweder periodischen, einer symmetrischen oder
einer Haft-Randbedingung an den seitlichen Wänden werden durchgeführt. Dabei werden partikelbeladene Schwereströmungen in rechteckigen
Kanälen mit zwei verschiedenen Seitenverhältnissen betrachtet, für sowohl
kleine als auch grosse Partikel. Nicht vernachlässigbare Auswirkungen auf
die Frontposition, die Partikel-Ablagerungssrate, die Energiebilanzterme
und auf die in Spannweitenrichtung gemittelten Strömungsstrukturen
werden aufgezeigt.
Zusätzlich zu den obengenannten Untersuchungen werden einige zweidimensionale Simulationen von bidispersen partikelbeladenen Schwereströmungen vorgestellt. Diese Simulationsergebnisse werden mit experimentellen Daten aus der Literatur verglichen. Eine gute globale
Übereinstimmung für grobe Partikel wird gezeigt und die Unterschiede
werden erläutert.

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