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Juan Ali Medina Mendez

• This thesis is an attempt to assess some of the effects that electroquasistatic body forces exert on turbulent internally forced convective flows. In order to do that, a stochastic turbulence model is employed, namely, the One-Dimensional Turbulence (ODT) model. The reduced dimensionality of ODT demands a reduction of the Navier-Stokes equations (and in this case, also the Maxwell equations), into a 1-D system. This is done by performing an asymptotic analysis in terms of the nondimensional numbers of the flow. Also, a validation step due to the relative novel character of the cylindrical ODT formulation is done for an incompressible and constant properties flow regime and a variable density flow regime. The validation is presented for both the temporal (T-ODT) and a novel spatial (S-ODT) formulation in both planar and cylindrical geometries. Results in the constant property case show that wall normal (and radial) profiles, in both the T-ODT and S-ODT formulations, show good agreement with each other and to the data of DirectThis thesis is an attempt to assess some of the effects that electroquasistatic body forces exert on turbulent internally forced convective flows. In order to do that, a stochastic turbulence model is employed, namely, the One-Dimensional Turbulence (ODT) model. The reduced dimensionality of ODT demands a reduction of the Navier-Stokes equations (and in this case, also the Maxwell equations), into a 1-D system. This is done by performing an asymptotic analysis in terms of the nondimensional numbers of the flow. Also, a validation step due to the relative novel character of the cylindrical ODT formulation is done for an incompressible and constant properties flow regime and a variable density flow regime. The validation is presented for both the temporal (T-ODT) and a novel spatial (S-ODT) formulation in both planar and cylindrical geometries. Results in the constant property case show that wall normal (and radial) profiles, in both the T-ODT and S-ODT formulations, show good agreement with each other and to the data of Direct Numerical Simulations (DNSs). For the evaluated variable density heated pipe flow, gradients at the wall can be better reproduced with S-ODT. After validating the model, ODT is applied first into a planar configuration which emulates the flow in a wire-plate Electrostatic Precipitator (ESP). For this flow, the additional input energy due to the electroquasistatic body force has an effect on the modification of the bulk velocity, and subsequently, the skin friction coefficient. Some qualitative DNS trends are confirmed with ODT, such as the localized increase of the Reynolds stress, as a consequence of increased eddy activity close to the discharge electrodes. Next, the results of ODT simulations in a cylindrical wire-tube ESP are presented. Here, ODT results are compared to experimental results. ODT results for global integral quantities such as the streamwise pressure gradient and the Nusselt number enhancement ratio are able to match in a reasonable way the experimental results. The competing relevance between the EHD contribution to turbulence by momentum, and by affecting the temperature and density due to the Joule heating effect is also analyzed, showing the leading order relevance of the former one. Specifically for the Nusselt number results, the sensitivity of the EHD flow to transition effects is shown to be very significant. This thesis may open the door to a vast new field of phenomena which can not only serve for the further validation of the ODT model against DNSs or experiments, but also for the real use of ODT in applications which are so far inaccessible for traditional DNSs.…
• Ziel dieser Dissertation ist die Untersuchung der Effekte von elektroquasistatischen Volumenkräften auf turbulente druckgetriebene Strömungen. Dazu wurde das stochastisch Eindimensionale Turbulenzmodell (ODT) angewendet. Als ein Modell niedriger Ordnung benötigt ODT eine Reduktion der Navier-Stokes-Gleichungen (sowie der Maxwell-Gleichungen hier) zu einem 1-D System. Diese Reduktion erfolgte mittels einer asymptotischen Analyse, welche die Strömung als Funktion von Leading-Order-Effekten entdimensionalisierter Kennzahlen beschreibt. Zusätzlich erfolgte in der Dissertation ein Validierungsschritt aufgrund der kürzlich veröffentlichten Zylinderformulierung für ODT. Zur Validierung wurden inkompressible Strömungen konstanter Fluideigenschaften, sowie Strömungen variabler Dichte betrachtet. Die Validierung stellt Ergebnisse von zeitlich (T-ODT) und räumlich (S-ODT) entiwckelnde ODT-Simulationen für planare und zylindrische Koordinatensysteme vor. Die Ergebnisse zeigen, dass wand-normale (oder radiale) Profile, sowohl in T-ODT und S-ODT,Ziel dieser Dissertation ist die Untersuchung der Effekte von elektroquasistatischen Volumenkräften auf turbulente druckgetriebene Strömungen. Dazu wurde das stochastisch Eindimensionale Turbulenzmodell (ODT) angewendet. Als ein Modell niedriger Ordnung benötigt ODT eine Reduktion der Navier-Stokes-Gleichungen (sowie der Maxwell-Gleichungen hier) zu einem 1-D System. Diese Reduktion erfolgte mittels einer asymptotischen Analyse, welche die Strömung als Funktion von Leading-Order-Effekten entdimensionalisierter Kennzahlen beschreibt. Zusätzlich erfolgte in der Dissertation ein Validierungsschritt aufgrund der kürzlich veröffentlichten Zylinderformulierung für ODT. Zur Validierung wurden inkompressible Strömungen konstanter Fluideigenschaften, sowie Strömungen variabler Dichte betrachtet. Die Validierung stellt Ergebnisse von zeitlich (T-ODT) und räumlich (S-ODT) entiwckelnde ODT-Simulationen für planare und zylindrische Koordinatensysteme vor. Die Ergebnisse zeigen, dass wand-normale (oder radiale) Profile, sowohl in T-ODT und S-ODT, eine gute Übereinstimmung miteinander und mit Daten von Direkten Numerische Simulationen (DNS) aufzeigen. Im Fall der aufgeheizten Rohrströmungen variabler Dichte lassen sich die Gradienten an der Wand mittels S-ODT besser reproduzieren. Nach der Validierung des Modells wurde ODT erstmals auf eine planare Konfiguration, welche die Strömung einer Plattenelektroabscheider simuliert, angewendet. Der zusätzliche Energiebeitrag, der von der elektroquasistatischen Volumenkraft geliefert wird, hat einen Effekt auf die Bulk-Geschwindigkeit, sowie auf den Reibungsbeiwert. Einige Trends der DNS lassen sich mit ODT bestätigen, z.B. der lokalisierte Anstieg der Reynolds'schen Schubspannungen, der aufgrund der erhöhten Wahrscheinlichkeit der Erzeugung turbulenter Wirbel in der Nähe der Sprühelektrode verursacht wird. Im Anschluss werden ODT-Ergebnisse eines zylindrischen Rohrelektroabscheiders vorgestellt. Diese sind in Form von integralen Größen gegen experimentellen Messungen vergliechen, z.B., der Druckgradient in Strömungsrichtung, sowie das Erhöhungsverhältnis der Nusseltzahl. Die von ODT generierten integralen Größen stimmen gut mit experimentellen Messwerten überein. Die Wichtigkeit des EHD-Beitrags zur Turbulenz mittels Impulstransport, sowie dessen Einfluss auf die Temperatur und Dichte gemäß des ersten Jouleschen Gesetzes wurde ebenfalls mit ODT untersucht. Die Ergebnisse zeigen den Effekt führender Ordnung des EHD-Beitrags auf die Turbulenz. Eine große Sensitivität der Nusseltzahl-Ergebnisse bzgl. der Transitionseffekten in EHD-Strömungen konnte parallel nachgewiesen werden. Dank dieser Arbeit lassen sich neue Phänomene mittels numerischer Simulationen untersuchen. Dies dient zur weiteren Validierung des ODT-Modells anhand DNS und Experimenten. Außerdem erlaubt die Dissertation zukünftige Anwendungen von ODT auf Phänomene und Strömungen, die bisher unzugänglich für DNS sind.…