MoST-DFG Collaboration - Theoretische, numerische und experimentelle Untersuchungen von schwerkraftgetriebenen Fluid-Granulat-Strömungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Yongqi Wang
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 425259073

Fluid-Granulat-Mischungsströmungen treten in zahlreichen industriellen Verfahren und Naturgefahren auf, z.B. in Murgängen. Ein Murgang ist eine schwerkraftgetriebene Mischung von Sedimentpartikeln und Wasser welches die Zwischenräume teilweise bis übermäßig füllt. Trotz der bisherigen Entwicklung von Modellierung, Simulation und Messung von geophysikalischen Massenströmen ist die Vorhersage solcher Mehrphasenströmungen immer noch ein anspruchsvollstes Thema, vor allem in zwei Aspekten (i) der theoretischen und numerischen Modellierung und (ii) der experimentellen Untersuchung. Einerseits werden die meisten Murgänge oft als einphasige Medien behandelt, obwohl ein Murgang eindeutig eine Mischung ist. In der einphasigen Betrachtungsweise wird die Mischung entweder als ein nicht-Newtonsches Fluid unter Berücksichtigung des plastischen Verhaltens oder als ein Coulombsches Kontinuum behandelt, wobei die Rolle des Porenfluids parametrisch einbezogen wird, oder sie wird als eine Mischung aller Komponenten behandelt. Sehr selten werden Multi-Komponenten-Modelle entwickelt und für Murgänge angewendet. Einige bestehende Modelle berücksichtigen solche Strömungen als fluidgesättigte Granulatmischungen, obwohl geophysikalische Granulatströmungen häufig ungesättigt oder übersättigt werden. Andererseits ist die simultane Messung von Geschwindigkeiten und Volumenanteilen aller Konstituenten eine schwierige Aufgabe. Obwohl viele Laborversuche auch den Einfluss des Porenfluids auf die Granulatströmung untersuchen, wird, infolge der Schwierigkeiten mit der Messtechnik bei der Messung der Dynamik der Fluid-Phase in einer Granulat-Fluid-Mischung, nur die Dynamik des Granulates gemessen. Im Rahmen dieses Projektes wird versucht, ein zweiphasiges Fluid-Granulat-Mischungsmodell zu entwickeln, um fließende ungesättigte bis übersättigte Granulat-Fluid-Mischungen sowie ihre Transition mit Hilfe eines Zweischichten-Modells zu beschreiben, wobei für den ungesättigten Fall eine fluidgesättigte Granulat-Unterschicht durch eine reine Granulat-Oberschicht bzw. für den übersättigten Fall durch eine Fluid-Oberschicht überdeckt wird. Hinsichtlich experimenteller Untersuchungen wird durch eine Kombination von PIV und PTV eine indirekte Messtechnik entwickelt, um Fluid-, Granulat-Geschwindigkeiten und Volumenanteile zu messen. Für die kombinierte Methode wird PIV zur Messung der Fluid-Geschwindigkeiten und PTV zur Geschwindigkeitsmessung der granularen Phase verwendet. Die Vorteile dabei sind die Hochgenauigkeit der PIV Methode bei der Identifizierung der Tracerpartikel für die Fluid-Phase und die detailliertere Information der PTV für die Granulat-Geschwindigkeiten. Das theoretische Model wird hinsichtlich verschiedener gesättigter, ungesättigter oder übersättigter Garnulat-Fluid-Mischungen mittels des diskontinuierliche Galerkin (DG)-Verfahrens mit einer beliebigen Genauigkeit hoher Ordnung numerisch getestet und durch Vergleich mit Messdaten validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Taiwan
• Partnerorganisation: National Science and Technology Council (NSTC)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Shu-San Hsiau