Untersuchung des Aufstiegsverhaltens von Gasblasen in einer Flüssigkeit
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Für Direkte Numerische Simulationen von in Flüssigkeiten aufsteigenden Gasblasen wurde ein Simulationsverfahren entwickelt, wobei die Behandlung von bewegten Grenzflächen mittels der hybriden Partikel-Level-Set (HPLS) Methode erfolgt. Wesentliche Bestandteile der HPLS-Methode wurden weiterentwickelt, und es konnte eine signifkante Verbesserung der Massenerhaltungseigenschaften erreicht werden. Es wurden verschiedene Diskretisierungen des Oberflächenspannungsterms hinsichtlich Genauigkeit und Konvergenzverhalten untersucht und eine optimierte Variante implementiert. In den Simulationen hat sich die Eignung dieses Verfahrens für die Behandlung hoher Dichte- und Viskositätsgradienten an Phasengrenzen erwiesen. Um den Einfluß von Lorentzkräften durch externe Magnetfelder auf die Flüssigkeit zu berücksichtigen, wurden die mittels der Annahme kleiner magnetischer Reynoldszahlen vereinfachten Grundgleichungen implementiert. Hierbei wurde besonderes Augenmerk auf eine korrekte Abbildung der Randbedingungen an nicht leitfähigen Blasenoberflächen beliebiger Form gelegt. Für die Codevalidierung wurden Simulationen von Blasen auf linearen Aufstiegsbahnen durchgeführt. Für diese Fälle konnte eine exzellente Übereinstimmung von experimentellen und numerischen Referenzdaten festgestellt werden. Für den Aufstieg von Luftblasen mit d=5.2mm in Wasser wurden zunächst erhebliche Differenzen zu experimentellen Ergebnissen in den zu dieser Zeit veröffentlichten Arbeiten gefunden. Daraufhin wurden detaillierte Analysen von Blasen auf Zickzackbahnen durchgeführt, um ein besseres Verständnis der auftretenden Phänomene und Wirkmechanismen zu erarbeiten. Insbesondere ist die Interaktion von turbulenten Strukturen des Nachlaufs und der Blasenoberfläche wichtig. Zugunsten dieser strömungsphysikalischen Untersuchungen wurde die weitere Modell-Entwicklung zurückgestellt. Die qualitativen Unterschiede zwischen Experiment und Simulation können auf unterschiedliche Stoffeigenschaften (idealisiert in der Simulation, kontaminiert im Experiment) zurückgeführt werden. Jüngste experimentelle Daten in hochreinem Wasser bestätigten unsere zunächst als problematisch erachteten Simulationsergebnisse. Es wurde der Einfluß von vertikal ausgerichteten Magnetfeldern auf das Aufstiegsverhalten von Gasblasen untersucht. Für Blasen auf linearen Pfaden ergaben sich deutlich verkleinerte Nachlaufgebiete. Die Blasen deformierten sich weniger stark und erhöhte Aufstiegsgeschwindigkeiten wurden gemessen. Im Fall von instationär aufsteigenden Blasen konnte eine Änderung des Blasenpfades von zickzack- zu spiralförmigen Bahnen nachgewiesen werden. Diese Entwicklung geht mit deutlichen Veränderungen des Blasennachlaufes einher: Die Haarnadelwirbel weisen in vertikale Richtung gestreckte Wirbelbeine auf, die starke Dämpfung der Geschwindigkeiten in den horizontal ausgerichteten Köpfen der Haarnadel bewirkt ein Aufbrechen dieser Wirbelstrukturen, und es ist eine stärker ausgeprägte Verdrehung der Haarnadelwirbel um die vertikale Achse zu beobachten. Auch diese Ergebnisse stellen einen wesentlichen Fortschritt im Bereich von MFD-Blasenströmungen dar. Bisherige numerische Arbeiten konzentrierten sich im Wesentlichen auf die Berechnung von axialsymmetrischen Problemen bei kleinen Blasen-Reynoldszahlen. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurde durch Dr.-Ing. Daniel Gaudlitz eine Dissertation mit dem Titel „Numerische Untersuchung des Aufstiegsverhaltens von Gasblasen in Flüssigkeiten“ ausgearbeitet. Das Promotionsverfahren wurde im August 2008 erfolgreich abgeschlossen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- A Hybrid Particle Level Set Method for Two-Phase Flow. 75th annual conference of the GAMM in Dresden, PAMM, Proc. Appl. Math. Mech. 4, 2004
D. Gaudlitz, N.A. Adams
- Direkte numerische Simulation von MFD-Zweiphasenströmungen. Annual report of the Arbeitsgemeinschaft STAB 2005,Göttingen
D. Gaudlitz, N.A. Adams
- The hybrid particle level-set method applied to two-phase flows. Proceedings of FEDSM2006, ASME Joint U.S.-European Fluids Engineering Summer Meeting, Miami, FL, July 2006
D. Gaudlitz, N.A. Adams
- On implementing the hybrid particle-level-set method on supercomputers for two-phase flow simulations. In: High Performance Computing in Science and Engineering '07, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007
D. Gaudlitz, N.A. Adams
- Simulation of Rising Gas Bubbles in Viscous Liquids. 2nd GACM Colloquium on Computational Mechanics, Munich, Germany, 2007
D. Gaudlitz, N.A. Adams
- Two-phase flow computations by the hybrid particle level-set method. Proceedings of the Fifth International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena, TSFP5, TU Munich, Garching, Germany, August 2007
D. Gaudlitz, N.A. Adams
- Numerical investigation of gas bubbles rising in liquids. Proceedings of 7th EUROMECH Fluid Mechanics Conference, 2008, Manchester, GB
D. Gaudlitz, N.A. Adams
- Numerische Untersuchung des Aufstiegsverhaltens von Gasblasen in Flüssigkeiten. Dissertation, Technische Universität München, 2008
D. Gaudlitz
- On improving mass conservation properties of the hybrid particle level-set method. Computers & Fluids, Vol. 37, 2008
D. Gaudlitz, N.A. Adams
- The influence of magnetic fields on the rise of gas bubbles in electrically conductive liquids. Proceedings of Direct and Large-Eddy Simulation 7, 2008, Trieste, Italy
D. Gaudlitz, N.A. Adams
