Modelling of the Unsteady Dynamics of Turbulent Disperse Bubbly Flows
Final Report Abstract
Für die Erstellung der Datenbasis wurde im Laufe des Projekts klar, dass sich der zunächst eingesetzte PARIS-Löser bestens zur detaillierten Betrachtung von Einzelblasen unter realitätsnahen Bedingungen, allerdings nicht für die Simulation von dichten Blasenschwärmen eignet. Dies liegt in der „numerischen Koaleszenz“ begründet, womit die unphysikalische, weil massiv übertriebene, Koaleszenzwahrscheinlichkeit bei der Kollision von Blasen gemeint ist. Dieser Nachteil der Standard-VOF Methode kann durch die sog. Multimakerformulierung der VOF-Methode behoben werden. Eine Implementierung dieses Verfahrens stellt der TBFsolver (ein open-source Code, ebenso wie PARIS) zur Verfügung, welcher im Weiteren für die Simulation von Blasenschwärmen, inklusive entsprechender Parametervariationen, eingesetzt wurde. Dabei gelangen entscheidende Weiterentwicklungen, um das numerische Verfahren für die Erstellung von Turbulenzstatistiken, und damit lange Rechenzeiten, zu ertüchtigen. Zwei verschiedene Methoden wurden entwickelt und erfolgreich eingesetzt, um die Volumenerhaltung (bis auf Maschinengenauigkeit) einzelner Blasen unabhängig von der Simulationsdauer sicherzustellen. Verglichen mit früheren Untersuchungen zum Primärzerfall von Flüssigkeitsstrahlen (äußerst komplexe Grenzflächentopologie) führten die a-priori Untersuchungen zu Blasenströmungen (kompakte Grenzflächentopologie ohne Fragmentierung) in diesem Projekt zu ähnlichen Ergebnissen und Schlussfolgerungen. Letztendlich spielt das globale Verhalten, sprich die Konfiguration, für das lokale Verhalten auf Subgitterebene nur eine untergeordnete Rolle – ein positives Signal hinsichtlich der Universalgültigkeit der LES-Modellierung. Qualitativ ähnliche a-priori Ergebnisse zeigten sich bei normaler Volumenfilterung und dichtegewichteter Favre-Filterung. Ein zusätzlicher Term in den Phasen-gemittelten Erhaltungsgleichungen, basierend auf der Schlupfgeschwindigkeit zwischen beiden Phasen, betrug weniger als ein Prozent des aufgelösten konvektiven Terms, wodurch für die Favregefilterte und Phasen-gemittelte Impulsgleichung in der Praxis ein sehr ähnliches Verhalten erwartet werden kann. Im Allgemeinen zeichnen sich Skalenähnlichkeitsmodelle gegenüber den häufig verwendeten Gradientenflussansätzen durch eine überlegene Wiedergabe der mathematischen Struktur des Schließungsterms aus, wenngleich auch mit einem Genauigkeitsverlust in der Nähe der Grenzfläche gerechnet werden muss. Aufgrund der Anwendungsnähe und guten Interpretierbarkeit von wandnormalen Turbulenzstatistiken wurden wandbegrenzte Blasenströmungen als Konfiguration für die abschließenden a-posteriori Untersuchungen gewählt. Prinzipiell konnte gezeigt werden, dass durch die Verwendung von expliziten Subgittermodellen eine Verbesserung von LES-Simulationen im Vergleich zu höher aufgelösten Referenzsimulationen erreicht werden kann, wenn auch eine abschließende allgemeingültige Modellempfehlung schwierig ist. Dies liegt einerseits an der wechselseitigen Beeinflussung von Modelldissipation und numerischer Dissipation, insbesondere durch die Diskretisierung des konvektiven Terms in der Impulsgleichung (z.B. Zentraldifferenzen und QUICK-Schema, wobei letzteres deutlich dissipativer ist). Generell empfehlenswert erscheinen Modellregularisierungen (z.B. durch Unterdrückung von „backscatter“) auf Basis von bereits bekannten Modellen wie dem Skalenähnlichkeitsansatz, um diese auch in a-posteriori Rechnungen ohne Instabilitäten einsetzen zu können. Als weitere Schwierigkeit stellte sich die Bewertung von Modellen heraus, wenn neben der Schließung des konvektiven Terms noch weitere ungeschlossene Terme in den gefilterten mehrphasigen Erhaltungsgleichungen modelliert werden. In grenzflächendominierten Strömungen betrifft dies v.a. das Verhalten von Oberflächenspannungskräften auf Subgitterebene. An dieser Stelle besteht noch dringender Forschungsbedarf.
Publications
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J. Hasslberger, S. Ketterl, and M. Klein
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J. Hasslberger, L. Engelmann, A. Kempf, and M. Klein
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F. Braeuer, E. Trautner, J. Hasslberger, P. Cifani, and M. Klein
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