Lattice Boltzmann Methode mit freien Oberflächen für viskoelastische Materialien und deren Anwendung zur Simulation der Schaumbildung
Final Report Abstract
Ziel dieses Projektes war es, eine numerische Methode zur Simulation von viskoelastischen Schäumen zu entwickeln und damit die Rolle der Viskoelastizitat für die Schaumstabilisierung zu untersuchen. Ursprünglich sollte dafür ein hybrider numerischer Ansatz, Lattice Boltzmann Modell verknüpft mit einem Finiten Differenzen Modell, verwendet werden. Hier hat sich aber sehr schnell gezeigt, dass bei diesem Ansatz erhebliche Probleme an den freien Oberflächen auftreten, die sehr schwer zu beheben sind. Aus diesem Grund wurde entschieden, die Problemstellung auf Grundlage einer reinen Lattice Methode zu lösen. Die nun erfolgreich implementierte und auch parallelisierte Methode basiert auf einem numerischen Modell von Onishi et al. Dieses Modell wurde von uns modifiziert und auf freie Oberflächen erweitert. Es ist nun in der Lage, viskoelastische Effekte korrekt zu beschreiben. Die Validierung des Modells erfolgte anhand von analytischen Lösungen für einfache Strömungen als auch an komplexen Benchmark Problemen. Um den Effekt der Viskoelastizität bei der Schaumbildung aufzuklären, wurde zunächst die reine Blasen-Blasen-Wechselwirkung untersucht. Die Ausbildung des Steges und die Dauer bis zur Koaleszenz sind hier von Interesse. Wesentliches Ergebnis ist, dass die Dauer bis zur Koaleszenz unabhängig von der Oberflächenspannung ein Maximum bei Deborah Zahl gleich Eins aufweist. Das heißt, die höchste Stabilisierung tritt ein, wenn die Relaxationszeit mit der Expansionsdauer übereinstimmt. Dieses Ergebnis überträgt sich auch auf die Schaumbildung. Um die stabilisierende Wirkung der Viskoelastizität zu analysieren, wurde die Schaumexpansion bei verschiedenen Parametern simuliert. Die hierbei gefundenen Expansionsgesetze entsprechen zwar denen eines nicht stabilisierten Schaums, d.h. es sind keine statischen Kräfte vorhanden, aber dennoch verzögert die Viskoelastizität die Koaleszenz und den Zerfall erheblich. Damit verstehen wir heute die Rolle des Viskoelastizität bei der Schaumbildung sehr viel besser und können in Zukunft diese Effekte gezielt nutzen, bessere Schäume herzustellen.
Publications
- Lattice Boltzmann method for viscoelastic fluids, International Conference for Mesoscopic Methods in Engineering and Science (ICM- MES), New York 2014
F. Osmanlic, C. Körner
(See online at https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevE.65.056704) - Film stability of viscoelastic foams described by the constitutive Oldroyd-B model, Discrete Simulation of Fluid Dynamics (DSFD) , Edinburgh 2015
F. Osmanlic, C. Körner
- Lattice Boltzmann Method for Oldroyd-B fluids. Computers and Fluids, Volume 124, 2 January 2016, Pages 190-196
F. Osmanlic, C. Körner
(See online at https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2015.08.004)
