Verhalten und Modellierung nicht sphärischer Partikel in kompressiblen Strömungen

• Antragsteller: Professor Dr. Berend van Wachem
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 447633787

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Dieses Projekt untersuchte das Verhalten nicht-sphärischer Partikel in kompressiblen Strömungen und schloss eine wichtige Lücke in der Modellierung partikelbeladener Strömungen. Nicht-sphärische Partikel sind in der Natur und Technik verbreitet, aber bisher vor allem in inkompressiblen Strömungen erforscht. Ein Verständnis a o der Kräfte und Momente in transsonischen und supersonischen Strömungen sowie ihrer Wechselwirkung mit Stoßwellen ist essenziell für Technologien wie Kaltbeschichtung und Arzneimittelinjektion. Mit partikelaufgelösten direkten numerischen Simulationen (PR-DNS) wurden drei Partikelformen – prolater und oblater Sphäroid sowie stabförmige Partikel – bei Mach-Zahlen von 0,3 bis 2,0, Anstellwinkel von 0◦ to 90◦ , und Partikel-Reynolds-Zahlen zwischen 100 und 300 untersucht. Körperangepasste Gitter ermöglichten Partikelrotation ohne Gitterdeformation. Die Ergebnisse zeigen, dass die Partikelform die Strömung und aerodynamischen Kräfte stark beeinflusst. Der oblate Sphäroid erzeugte die größten Vorstöße, instabile Nachläufe und die höchsten Widerstands- , Auftriebs- und Drehmomentkoeffizienten. Ein deutlicher Widerstandsanstieg im transsonischen Regime wurde bei allen Formen festgestellt. Neu eingeführte und validierte Korrelationen für aerodynamische Kräfte und Momente wiesen eine hohe Genauigkeit (Fehler 1–2 %) auf und verbessern die Präzision von Punkt-Partikel-Simulationen. Die methodischen Fortschritte, einschließlich PR-DNS mit körperangepassten Gittern und präzisen aerodynamischen Korrelationen, stellen einen bedeutenden Fortschritt in der Modellierung von Mehrphasenströmungen dar. Obwohl sich diese Studie auf drei spezifische Partikelformen konzentrierte, können die Korrelationen und Techniken durch Interpolation oder empirische Ansätze auf andere Formen erweitert werden. Diese Arbeit bildet eine Grundlage für präzisere und effizientere Designs in technischen Anwendungen mit nicht sphärischen Partikeln in kompressiblen Strömungen und eröffnet Wege für Fortschritte in Bereichen wie Kaltbeschichtung, Arzneimittelabgabe und anderen partikelbeladenen Strömungssystemen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A Unified Algorithm for Interfacial Flows with Incompressible and Compressible Fluids. Forum for Interdisciplinary Mathematics, 179-208. Springer Nature Singapore.
  Denner, Fabian & van, Wachem Berend
  
• A hybrid immersed boundary method for dense particle-laden flows. Computers & Fluids, 259, 105892.
  Chéron, Victor; Evrard, Fabien & van, Wachem Berend
  
• Data for the paper: Drag, lift and torque correlations for axisymmetric non-spherical particles in locally non-uniform flows
  V. Chéron, F. Evrard & B. van Wachem
  
• Data for the paper: Correlations for aerodynamic force coefficients of non-spherical particles in compressible flows
  C. Gorges, F. Denner, V. Chéron & B. van Wachem
  
• Data for the paper: Drag, lift, and torque correlations for axi-symmetric rod-like non-spherical particles in linear wall-bounded shear flow
  V. Chéron & B. van Wachem
  
• Drag, lift and torque correlations for axi-symmetric rod-like non-spherical particles in locally linear shear flows. International Journal of Multiphase Flow, 171, 104692.
  Chéron, Victor; Evrard, Fabien & van, Wachem Berend
  
• Drag, lift, and torque correlations for axi-symmetric rod-like non-spherical particles in linear wall-bounded shear flow. International Journal of Multiphase Flow, 179, 104906.
  Chéron, Victor & Wachem, Berend van
  
• Correlations for aerodynamic force coefficients of non-spherical particles in compressible flows, accepted for presentation at: 12th International Conference on Multiphase Flow, ICMF 2025, Toulouse, May 12 - 16 (2025)
  F. Denner, V. Chéron, A. Chopra, C. Gorges & B. van Wachem
  
• Correlations for aerodynamic force coefficients of non-spherical particles in compressible flows. International Journal of Multiphase Flow, 184, 105111.
  Gorges, Christian; Chéron, Victor; Chopra, Anjali; Denner, Fabian & van, Wachem Berend