Entwicklung eines Berechnungsverfahrens für den Strahlungstransport für Partikel-basierte Strömungssimulationen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Netzfreie Partikelmethoden gewinnen zunehmend an Bedeutung, da sie Vorteile bei komplexen multiphysikalischen Problemen bieten, insbesondere bei unregelmäßigen Geometrien, freien Oberflächen, beweglichen Schnittstellen, verformbaren Rändern und großen Inhomogenitäten. Beispiele sind reaktive Mehrphasenströmungen, Gießen, Laserschweißen und extreme geophysikalische Ereignisse. Strahlungstransfer wurde in diesem Rahmen jedoch bislang nur in wenigen Studien untersucht, meist zu astrophysikalischen Problemen, die für die einzigartigen großen Maßstäbe dieser Domäne angepasst wurden und daher nicht direkt auf ingenieurtechnische Anwendungen übertragbar sind. Standardmethoden zur Lösung des Strahlungstransfers stoßen ebenfalls auf Herausforderungen, insbesondere bei der Bewältigung von Inhomogenitäten und der Kompatibilität mit Strömungslösern. Ein „Best Practice“- Ansatz fehlt hier bisher, insbesondere für multiphysikalische Probleme. Bei partikelbasierten Methoden sind die derzeit verfügbaren Optionen sogar noch eingeschränkter und weitgehend unerforscht. Der zentrale Ansatz partikelbasierter Methoden besteht darin, die Gleichungen mithilfe einer beliebig verteilten Menge von „Partikeln“ zu lösen, ohne ein Netz zu verwenden, das die Verbindungen zwischen ihnen beschreibt. Diese Methode eignet sich besonders für Probleme, die netzbasierte Ansätze schlecht bewältigen können, etwa bei beweglichen Grenzflächen, verformbaren Rändern oder partikulären Strömungen. In dieser Anwendung widerspricht eine Glättung hochaufgelöster Strukturen in der Strömungssimulation durch das Strahlungsmodell dem eigentlichen Vorteil der Partikelmethoden. Es scheint daher vorteilhaft, partikelbasierte Strömungs- und Strahlungslöser direkt zu koppeln, um den Informationsverlust beim Datentransfer zwischen Teilmodellen zu vermeiden. Daraus ergibt sich ein dringender Bedarf für die Entwicklung eines generischen, partikelbasierten Strahlungslösers, der effizient gekoppelt werden kann, um solche komplexen Probleme vorherzusagen. Die Forschungshypothese dieses Projekts stützt sich auf diesen Bedarf und schlägt ein neues Verfahren zur Strahlungslösung vor. Das Hauptziel des Projekts ist die Entwicklung und Validierung dieses Modellierungsansatzes, um den radiativen Wärmeaustausch ohne Verlust an partikelaufgelösten Informationen während der gekoppelten Lösung vorherzusagen. Dies wird die wissenschaftliche Grundlage schaffen, um komplexe multiphysikalische Phänomene, wie etwa konjugierten Wärmetransfer, genau zu modellieren. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung einer Methode, die von Natur aus eine weitere Herausforderung der Strahlungsmodellierung bewältigen kann: die Handhabung komplexer Geometrien oder beweglicher Grenzen. Durch die netzfreie Natur der Partikelmethoden wollen wir zusätzliche Herausforderungen, die durch netzbasierte Ansätze entstehen, umgehen. Dieser Bericht beschreibt die Motivation des Projekts, erläutert den entwickelten Algorithmus und zeigt seine Genauigkeit anhand ausgewählter Benchmark-Probleme aus der Literatur. Ein Beispielcode steht ebenfalls in einem öffentlichen Repository zur Verfügung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A Versatile Deposition Model for Natural and Processed Surfaces. Dynamics, 4(2), 233-253.
Ates, Cihan; Koch, Rainer & Bauer, Hans-Jörg
