Wechselwirkung zwischen Verdichtungsstoß und kugelförmigen Partikeln: eine partikelauflösende numerische Studie kollektiver Effekte

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Uhlmann
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420325084

Eine Vielzahl technologisch relevanter Prozesse basiert auf der Interaktion zwischen Verdichtungsstößen und festen Partikeln, wie etwa das Kaltgasspritzen Beschichtungsverfahren und die pharmazeutische Wirkstoffverabreichung durch Stoßwellen. Wichtige Fragen in Bezug auf das zugrunde liegende partikuläre Strömungsproblem sind jedoch derzeit noch ungeklärt. Beispielsweise ist es aufgrund der unvollständigen Datenlage unbekannt, ob kollektive Effekte (etwa durch gegenseitige Abschirmung) zur Selbstorganisation und Musterbildung führen, und wie diese Effekte auf die globalen Strömungseigenschaften zurückwirken. Folglich sind auch die gängigen vereinfachten Modellansätze heutzutage nicht in der Lage, die relevanten Eigenschaften von kompressiblen Fluid-Partikel Systemen wirklichkeitsgetreu abzubilden. In diesem Projekt planen wir daher, partikelauflösende numerische Simulation von ebenen Stoßwellen durchzuführen, welche über eine Wolke von tausenden beweglichen, kugelförmigen Partikeln hinwegfegen. Zu diesem Zweck benutzen wir eine Immersed Boundary Methode für kompressible Strömungen, welche es uns erlaubt, einfache und unbewegte Gitter zu verwenden. Die massiv-parallelen Simulationen werden zumeist die reibungsfreien (Euler) Gleichungen zum Gegenstand haben; jedoch werden wir zusätzliche Navier-Stokes Läufe durchführen, um die Bedeutung viskoser Effekte über längere Zeitskalen zu quantifizieren. Die hochaufgelösten Datensätze werden uns in die Lage versetzen, die statistischen Eigenschaften und die Strukturen der Partikelbewegung und der Fluidströmung im Zwischenraum zu analysieren, um damit das Verständnis der Mechanismen hinter den kollektiven Effekten in solchen Systemen zu fördern. Diese Studie wird dadurch den Weg ebnen für eine verbesserte Modellierung kompressibler Partikelströmungen, insbesondere im Rahmen des Euler-Lagrange Punktpartikelansatzes.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen