Modellierung der instationären Dynamik turbulenter disperser Blasenströmungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Klein
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 290278641

Blasenströmungen treten in einer Vielzahl industrieller Prozesse auf wie der Erdölförderung, der Energiegewinnung, der Lebensmittel- , pharmazeutischen und chemischen Industrie. Chemische Güter im Wert von mehreren Milliarden Dollar werden auf diese Art und Weise jährlich weltweit produziert und die Vorteile, die sich aus der Möglichkeit einer zuverlässigen, numerischen Modellierung im Hinblick auf Prozesssicherheit und Prozessintensivierung ergeben, sind enorm. Die Lösung der Reynolds gemittelten Navier-Stokes Gleichungen (RANS) stellt derzeit den industriellen Standard zur Beschreibung solcher Zweiphasenströmungen dar. Allerdings ist selbst für einphasige, turbulente Strömungen nach Jahrzenten intensiver Forschung das Schließungsproblem nicht befriedigend gelöst. Blasenströmungen sind durch räumlich und zeitlich veränderliche Phasengrenzflächen gekennzeichnet und die Wechselwirkungen zwischen der instationären Blasendynamik, der Turbulenz und der Blasen untereinander sind so vielfältig, dass eine allgemeingültige und vorhersagekräftige RANS Modellierung in naher Zukunft nicht zu erwarten ist. Die Large Eddy Simulation (LES) wird oftmals als goldener Mittelweg zwischen RANS Methoden und der exakten direkten numerischen Lösung (DNS) der Navier-Stokes Gleichungen gesehen. Kombiniert man die LES mit einem Verfahren zur Advektion der Phasengrenzfläche bietet dies den Vorteil, dass viele Prozesse nicht skalenübergreifend modelliert werden müssen, sondern zu einem großen Teil aufgelöst werden können. Im Rahmen von Zweiphasenströmungen mit bewegten Oberflächen treten allerdings neue zu schließende Terme auf, deren Modellierung in der Literatur noch völlig unzureichend entwickelt ist. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher die Etablierung eines LES Modells für Zweiphasenströmungen, welches in der Lage ist, praxisrelevante Blasenströmungen mit guter Genauigkeit vorherzusagen. Das Vorhaben ist in zwei Phasen untergliedert. Zunächst wird eine DNS Datenbasis geschaffen. Hierzu werden vertikal aufsteigende Einzelblasen und kleine Blasenschwärme sowohl in ruhendem Medium als auch in einer turbulenten Gegenströmung berechnet. Anschließend werden die Daten räumlich gefiltert, um auf diese Art und Weise pseudo-LES Daten zu erzeugen (a-priori Analyse). So können Modellierungsansätze mit ungeschlossenen Termen verglichen werden. Die Beurteilung eines Modells kann aber letztendlich nur in einer real durchgeführten LES erfolgen, der a-posteriori Analyse. Die erfolgversprechendsten Schließungsansätze sollen hier auf Ihre Praxistauglichkeit hin überprüft werden und an Hand detaillierter Messungen, die dem Antragsteller zur Verfügung gestellt werden, bewertet werden. Über einen Mehrskalenansatz soll das Modell in einer zweiten Antragsperiode so erweitert werden, dass damit auch große Blasenschwärme berechnet werden können und somit die Auslegung praxisrelevanter Konfigurationen als globales Ziel ermöglicht wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen