Analysis of the two-fluid model and the drift-flux model for numerical calculation of two-phase flow

Flerfasestrømning er av betydning i en lang rekke anvendelser, blant annet i olje- og gassindustrien, i den kjemiske og i prosessindustrien, inkludert i varmepumpende systemer, samt i sikkerhetsanalyse av kjernekraftverk. Denne avhandlingen analyserer modeller for tofasestrømning, og metoder for numerisk løsning av disse modellene. Den er derfor ett bidrag til å utvikle pålitelige ingeniørverktøy for flerfase-anvendelser. Slike verktøy trengs og forventes av ingeniører i industrien.\n\nDen tilnærmede Riemann-løseren framsatt av Roe har blitt studert. Roe-skjema for tre ulike modeller for tofasestrømning har blitt implementert i rammen av en standard numerisk algoritme for løsning av hyperbolske bevaringslover. Disse skjemaene har blitt analysert ved hjelp av referanse-regnestykker fra litteraturen, og ved sammenlikning med hverandre.\n\nEt Roe-skjema for den fire-liknings ettrykks tofluid-modellen har blitt implementert, og det har blitt vist at en andreordens utvidelse basert på bølge-dekomponering og fluksdifferanse-splitting virker godt, og gir forbedrede resultater sammenliknet med det førsteordens skjemaet.\n\nDet har blitt foreslått et Roe-skjema for en fem-liknings totrykks tofluid-modell med trykkrelaksering. Bruken av analoge numeriske metoder for fire-liknings- og fem-liknings-modellene gjorde det mulig med en direkte sammenlikning av en metode med og uten trykkrelaksering. Numeriske eksperiment demonstrerte at de to framgangsmåtene konvergerte til samme resultat, men at den fem-liknings trykkrelakserings-metoden var betydelig mer dissipativ, særlig for kontakt-diskontinuiteter. Videre viste beregninger at selv om fem-liknings-modellen har reelle egenverdier, så produserte den oscillasjoner for tilfeller der fire-liknings-modellen hadde komplekse egenverdier.\n\nEt Roe-skjema har blitt konstruert for driftfluks-modellen med generelle lukningslover. Roe-matrisen er helt analytisk for det tilfellet at man kan anvende Zuber-Findlay-slipp-loven som beskriver boblestrømning. Dermed er dette Roe-skjemaet mer effektivt enn tidligere fullt numeriske Roe-skjema for driftfluks-modellen.\n\nEn isentropisk diskret-nivå-flerfasemodell har blitt presentert. En diskusjon av hvordan man kan ta hensyn til ulike interfase-trykkmodeller har blitt gitt. Med de passende modellene for interfase-trykk og -fart, var samsvaret svært godt mellom diskret-nivå-modellen og det fem-liknings Roe-skjemaet.\n\nMulti-steg- (MUSTA) metoden har som siktemål å komme nær oppstrøms-metodene i nøyaktighet, samtidig som den bevarer enkelheten til sentrerte skjema. Her har metoden blitt brukt på driftfluks-modellen. Når antallet steg økes, nærmer resultatene fra MUSTA-metoden seg det man får med Roe-metoden. De gode resultatene til MUSTA-metoden er avhengige av at man bruker et stort nok lokalt grid. Derfor er hovedfordelen med MUSTA-metoden at den er enkel, snarere enn at man sparer regnetid.\n\nEn karakteristikk-basert metode for å spesifisere grensebetinglser for flerfase-modeller har blitt testet, og funnet å virke godt for transiente problem.