Numerische Analyse der Partikel-Turbulenz-Interaktion in Hochgeschwindigkeitsströmungen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Lennart Schneiders
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422012568

Die Interaktion von Gasströmungen hoher Geschwindigkeit mit dispergierten Partikeln oder Tröpfchen spielt eine maßgebliche Rolle in zahlreichen geophysikalischen, astrophysikalischen und technischen Vorgängen. Beispiele sind explosive Vulkanausbrüche, die Entstehung von Supernovae, Kaltgasspritzen zur Oberflächenbeschichtung sowie Überschallverbrennungsantriebe. Diese Mehrphasensysteme sind charakterisiert durch eine komplexe Wechselwirkung von Turbulenz, Partikeldynamik, Wärmeleitung und Kompressibilitätseffekten wie Stoßwellen. Trotz der großen Vielfalt von Anwendungen, sind die grundlegenden Mechanismen der Partikel-Turbulenz-Interaktion in diesen Strömungen derzeit kaum verstanden. Die Vielzahl der involvierten physikalischen Effekte und die extreme Bandbreite der verschiedenen Längen- und Zeitskalen erschweren die numerische Analyse dieser Systeme. Gleichermaßen verhindern diese Bedingungen häufig detaillierte experimentelle Messungen. Das Fehlen eines grundlegenden Verständnisses hemmt die Entwicklung von Partikel- und Turbulenzmodellen, welche jedoch unverzichtbar für prädiktive Simulationen in den genannten Anwendungen sind. Beispielsweise sind die Auswirkungen von explosiven Vulkanausbrüchen auf die lokale Bevölkerung, die Luftfahrt und das globale Klima nicht zuverlässig vorhersagbar, da validierte Modelle für die Wechselwirkung zwischen Gas, Magma und Gesteinsfragmenten bei sehr hohen Geschwindigkeiten derzeit nicht vorhanden sind.In diesem Projekt werden neuartige, hochauflösende numerische Analysen der Partikel-Turbulenz-Interaktion unter starkem Einfluss von Kompressibilitätseffekten und Wärmeleitung durchgeführt, um die Entwicklung sowie Validierung von Modellen zu ermöglichen. Hierfür wird das kanonische Strömungsproblem der isotropen Turbulenz betrachtet, welches die grundlegenden Mechanismen der Interaktion beider Phasen nachvollziehbar macht. Unter Verwendung einer effizienten numerischen Methode, die vom Antragsteller in den vergangenen Jahren entwickelt wurde, werden die turbulente Bewegung und die Strömung um jedes einzelne Partikel vollständig anhand der physikalischen Erhaltungsgleichungen aufgelöst. Dieser Ansatz liefert eine präzise Beschreibung der Mehrphaseninteraktion, welche für diese Klasse von Strömungen bislang nicht dokumentiert worden ist. Die Daten werden neue Erkenntnisse bezüglich des wechselseitigen Einflusses von Partikeln und kompressibler Turbulenz liefern, wie die genaue Vorhersage der Impuls- und Energiebilanzen beider Phasen. Anhand dieser Referenzlösungen wird die Genauigkeit von vorhandenen, jedoch bisher nicht validierten, Partikelmodellen analysiert. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse und mechanistischer Ansätze sollen zudem neue Modellansätze entwickelt werden. Die sorgfältige Definition der Modelle sowie ihrer Gültigkeitsbereiche ist letztlich ausschlaggebend für die Genauigkeit von angewandten Simulationen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Tim Colonius, Ph.D.