Sedimentation von nicht-sphärischen Partikelkollektiven bei mittleren Galileozahlen: eine DNS Studie

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Uhlmann
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398061626

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Bewegung von Eispartikeln in der Atmosphäre, von Plankton in den Ozeanen und von suspendierten Partikeln in verfahrenstechnischen Anlagen sind Beispiele von Sedimentationsprozessen bei denen die Absetzgeschwindigkeit der Partikel stark von deren räumlicher Verteilung abhängt. Beträchtlicher Fortschritt im grundlegenden Verständnis der Dynamik von Suspensionen ist in der Vergangenheit durch moderne Laborexperimente und numerische Studien erreicht worden. Jedoch beschränken sich die meisten Untersuchungen auf die Bewegung kugelförmiger Festkörper, obwohl die Mehrheit der Anwendungen nicht-sphärische Partikel betrifft. In diesem Projekt haben wir das Absetzverhalten von Kollektiven aus rotationsellipsoiden Partikeln (mit moderat abgeflachter Form) mittels Direktsimulation unter Auflösung der Phasengrenzen simuliert, wobei verdünnte Suspensionen und Reynoldszahlen von der Größenordnung 100 betrachtet wurden. In diesem Bereich sind die Modellungenauigkeiten von Euler-Lagrange (Punktpartikel) Modellen und von Euler­Euler (Zweifluid-) Modellen besonders hoch, und hochgenaue Daten für die Bewegung vieler, nicht­kugelförmiger Partikel waren bisher nur in geringem Umfang vorhanden. Im aktuellen Projekt haben wir zuerst eine genaue und effiziente Methode (basierend auf einem immersed-boundary Ansatz) für den Fall von nicht-sphärischen Partikeln mithilfe von hochgenauen Datensätzen validiert. Diese neuen Referenzdaten stehen nun anderen Studien zu ähnlichen Zwecken zur Verfügung. Wir haben umfassenden Datensätze erzeugt und genutzt, um die folgenden Fragen zu beantworten: Welchen Einfluss hat die Partikelform auf die Tendenz, Nachlauf-induzierte Cluster zu bilden? Was sind die Konsequenzen für die Statistik der Partikelbewegung? Dabei haben wir festgestellt, dass abgeflachte Rotationsellipsoide durch einen grundlegend anderen Mechanismus Cluster bilden als kugelförmige Partikel. Den Nachweis hierzu haben wir insbesondere mithilfe von zusätzlichen Simulationen von isolierten Partikelpaaren (drafting-kissing-tumbling) unter Variation der Anfangsbedingungen geführt. Diese Ergebnisse haben direkte Implikationen für eine Darstellung des Absetzverhaltens von Schwärmen suspendierter Partikel im Sinne einer Modellreduktion.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Suppl. mat. “A single oblate spheroid settling in unbounded ambient fluid: a benchmark for simulations in steady and unsteady wake regimes”. 4TU. ResearchData. Dataset.
  M. Moriche, M. Uhlmann & J. Dušek
  
• A single oblate spheroid settling in unbounded ambient fluid: A benchmark for simulations in steady and unsteady wake regimes. International Journal of Multiphase Flow, 136, 103519.
  Moriche, Manuel; Uhlmann, Markus & Dušek, Jan
  
• Efficient methods for particle-resolved direct numerical simulation. Modeling Approaches and Computational Methods for Particle-Laden Turbulent Flows, 147-184. Elsevier.
  Uhlmann, Markus; Derksen, Jos; Wachs, Anthony; Wang, Lian-Ping & Moriche, Manuel
  
• On the clustering of low-aspect-ratio oblate spheroids settling in ambient fluid. Journal of Fluid Mechanics, 963.
  Moriche, Manuel; Hettmann, Daniel; García-Villalba, Manuel & Uhlmann, Markus
  
• Suppl. anim. “on the clustering of low-aspect-ratio oblate spheroids settling in ambient fluid”. KITopen, 2023. Dataset.
  M. Moriche, D. Hettmann, M. García-Villalba & M. Uhlmann