Lattice-Boltzmann Verfahren auf parallelen Hochleistungsrechnern für die Berechnung des Massen- und Impulstransportes schaumfähiger Produkte in Packungskolonnen

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Rüde
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 408059952

Lattice Boltzmann Methoden (LBM) haben sich als alternative Verfahren in der Strömungssimulation etabliert, da sie sich besonders für die effiziente direkte numerische Simulation komplexer Szenarien eignen. In der Public Domain Software waLBerla ist eine Vielzahl von Lattice Boltzmann Methoden, sowie deren Kopplung an Festkörper- und Multiphasenmodelle, implementiert. Das in einem systematischen, performanceorientieren Entwicklungsprozess entworfene Framework wird für eine Vielzahl verschiedener Anwendungen, beispielsweise aus den Materialwissenschaften, der Medizin und der Prozesstechnik, verwendet. waLBerla ist auch die Basis der mesoskaligen Simulationen, die bereits im Rahmen des DFG/AiF-Clusterprojekts ``Simulation von Proteinschäumen'' durchgeführt wurden.Naturgemäß erzeugt der Skalenübergang von der einzelnen Schaumblase bis zum Gesamtprozess gewaltige Anforderungen an die Rechenleistung. Dies wird durch adaptiv verfeinerte Gitter erleichtert, die im waLBerla Framework für Einphasenströmungen bereits verfügbar sind und im Rahmen dieses Projekts für die Simulation freier Oberflächen weiterentwickelt werden sollen. Zudem sollen Metaprogrammierungstechniken helfen, flexiblen, portablen und wartbaren Code für moderne Hardware zu schreiben ohne Einbußen bei der Performance hinnehmen zu müssen.Der resultierende, hocheffiziente Simulationscode soll in diesem Projekt zur Simulation schaumfähiger Produkte in Packungskolonnen eingesetzt werden. Unerwünschte Schaumbildung in Packungskolonnen kann zu hohen Druckverlusten, einer Verringerung möglicher Durchsätze und zu reduzierter Trennleistung durch Rückvermischung führen. Um diese unerwünschte Effekte zu vermeiden ist ein detailliertes Verständnis der relevanten Schaumbildungs- und Schaumzerstörungseffekte notwendig. Die numerische Simulation kann hier einen wesentlichen Beitrag leisten. Ausgehend von validierten Simulationen einzelner Kolonnenfüllkörper soll das Schäumungsverhalten in einer Kolonne simuliert und prognostiziert werden. Die zentralen Ziele des vorliegenden Projektes sind (i) die Steigerung der Performance von Free Surface Lattice Boltzmann (FSLBM) Simulationen durch Codegenerierungstechniken, adaptive Verfeinerung und dynamische Lastverteilung, (ii) in enger Zusammenarbeit mit den Clusterpartnern ein virtuelles, aber experimentell validiertes Design von Prozessen und Produkten zu ermöglichen, sowie (iii) Unterstützung der Messtechnik durch die Kopplung der CT Rekonstruktionsalgorithmen an waLBerla Fluidsimulationen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen