Fictitious Boundary Methoden für mehrphasige Strömungsprobleme mit Feststoffpartikeln

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Turek
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 210488515

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Nach den anfänglichen Problemen im Zusammenhang mit dem Penalty-Zugang zur Simulation von flüssig-fest Grenzflächen gelang es, den Fictitious-Boundary Zugang auszubauen und ihn im Level-Set Kontext zu erweitern. Die Behandlung von dreiphasigen Strümungsproblemen gelang am Beispiel einer Kapselung eines Feststoffpartikels in einem Tropfen, der wiederum in ein umgebendes Medium eingebettet war. Die Kombination von Level-Set Methoden mit der Fictitious-Boundary Technik stellt den zukünftigen Zugang zu flüssig-flüssig-fest Problemen in der Software FEATFLOW dar. Im Bereich der Simulation von partikelbehafteten Strömungen stellten die Erweiterungen durch neue Kollisionsmodelle und Kollsionsbehandlung eine entscheidende Verbesserung dar. Die implementierten Modelle erlauben nicht nur die Simulation von komplizierten Konfigurationen mit kugelförmigen Partikeln, sondern erlauben auch direkt die Verallgemeinerung auf nicht-kugelförmige Partikel. Durch die Inklusion von DEM-basierten Modellen und geeigneten Geo-metriereprüsentationen läßt die Behandlung der Partikelkollisionen und Berechnung von Kollisionskräften auf GPU-Hardware realisieren, was eine Erhöhung der Problemgröße und eine Erweiterung auf komplexe, realistische Probleme erlaubt. Ein weiterer wichtiger erreichter Fortschritt ist die Eingliederung von Gitteradationsmethoden. Die von uns vorgestellten und implemetierten Methoden führten zu einer effizienteren Behandlung von Strömungen mit Partikeln oder allgemeinen Festkörpern in der Hinsicht, dass eine zusätzlich lokale Verfeinerung um die eingebetteten Objekte zu einer genaueren Berechnung der Fluidkräfte führte. Mittels dieser lokalen Erhöhung der Gitterauflösung läßt sich zusätzliche globale regulare Verfeinerung von etwa einem Gitterlevel erreichen. Die hierzu verwendete Gitteradationstechnik beruht auf einer Formulierung, die von der Laplaceschen Glättung abgeleitet ist und die im Kern nur eine Distanzberechnung benötigt, um geeignete Gewichte für die Glättung zu ermitteln. Diese kann mit effizienten durch GPUs hardwarebeschleunigten Methoden errechnet werden, so dass die Methode auch auf Berechnungsebene eine hohe Performanz aufweist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Finite element-fictitious boundary methods (FEM-FBM) for 3D particulate flow. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 69, 2, 294–313, 2012
  Münster, R. and Mierka, O. and Turek, S.
  
• 3D Level Set – FEM Techniques for (non – Newtonian) Multiphase Flow Problems Benchmarking and Applications to Monodisperse Droplet Generation and Micro–Encapsulation Enumath Lausanne, 2013
  Turek, S. and Damanik, H. and Mierka, O. and Münster, R.
  
• Finite Element–Fictitious Boundary Methods for the Numerical Simulation of Complex Particulate Flows Euromech 549, 2013
  Turek, S. and Münster, R. and Mierka, O.
  
• Finite element-fictitious boundary methods for the numerical simulation of complex particulate flows. Banff Workshop on Mathematical Modelling of Particles in Fluid Flow, 2014
  Turek, S.
  
• Finite Element–Fictitious Boundary Methods for the Numerical Simulation of Particulate Flows. ICNMMF-II Darmstadt, 2014
  Turek, S. and M¨nster, R. and Mierka, O.
  
• Mesh Deformation Based Finite Element-Fictitious Boundary Method (FEM-FBM) for the Simulation of Twin-screw Extruders. Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, Nummer 509, TU Dortmund, 2014
  Mierka, O. and Theis, T. and Herken, T. and Turek, S. and Schöppner, V. and Platte, F.
  
• Swimming by reciprocal motion at low Reynolds number. Nature Communications, 11, 5, 2014
  Qiu, T. and Lee, T.-C. and Mark, A. and Morozov, K. and Münster, R. and Mierka, O. and Turek, S. and Leshansky, A. and Fischer, P.
  
• Particulate Flow Simulations with Complex Geometries using the Finite Element–Fictitious Boundary Method. 14th Workshop on Two- Phase Flow Predictions, 2015
  Münster, R. and Mierka, O. and Turek, S.