Lattice-Boltzmann-Simulation des Wärmeübergangs in turbulenten Rohrströmungen mit aufgelösten nicht-sphärischen Partikeln

• Antragsteller: Professor Dr. Dominique Thévenin
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465872891

Partikelbeladene Strömungen treten in einer Vielzahl natürlicher und industrieller Prozesse auf, darunter Energieumwandlungen, chemische Reaktoren sowie Umweltsysteme. In vielen dieser Anwendungen sind die suspendierten Partikel von endlicher Größe, thermisch aktiv und weisen nicht-sphärische Geometrien auf. Trotz ihrer praktischen Relevanz ist das grundlegende Verständnis der gekoppelten Mechanismen von Impuls- und Wärmetransport in solchen turbulenten Mehrphasenströmungen bislang begrenzt. Bestehende numerische und experimentelle Studien beruhen oft auf vereinfachenden Annahmen, wie etwa der Modellierung von Partikeln als kugelförmige Punkte unter isothermen Bedingungen, was ihre Anwendbarkeit auf reale Systeme einschränkt. Dieses Forschungsprojekt zielt darauf ab, das grundlegende Verständnis von thermischer Partikelturbulenz zu erweitern, indem direkte numerische Simulationen (DNS) von turbulenten Rohrströmungen durchgeführt werden, die mit nicht-sphärischen, thermisch aktiven Partikeln beladen sind, deren charakteristische Abmessungen die lokale Kolmogorov-Skala überschreiten. Der Rechenrahmen kombiniert die Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) als Fluid-Löser mit einer Immersed-Boundary-Methode (IBM) und wird durch die Integration eines Finite-Differenzen-Schemas erweitert, um die Wärmeübertragung zu erfassen. Die Studie adressiert mehrere offene Fragestellungen: Wie beeinflussen Partikelform, Orientierungsdynamik und räumliche Clusterbildung den konvektiven Wärmetransport sowie die Modulation der Turbulenz? Welche thermischen Effekte ergeben sich aus Partikel–Fluid- und Partikel–Partikel-Interaktionen, und wie verändern diese den Strömungswiderstand, das thermische Verhalten und die Verteilung der Wärmeflüsse? Wie beeinflusst der Wärmetransport die Partikelstatistik, einschließlich räumlicher Verteilung, translatorischer und rotatorischer Geschwindigkeiten sowie bevorzugter Ausrichtung? Welche Rolle spielen interne anisotrope Wärmekonduktion, große Biot-Zahlen, sowie ein realistischer Wärmeübergang an den Grenzflächen für transportrelevante Prozesse auf Systemebene? Zur Skalenüberbrückung und praktischen Anwendung zielt das Projekt außerdem darauf ab, maschinenlernbasierte Surrogatmodelle zu entwickeln, die auf DNS-Daten basieren. Diese reduzierten Modelle sollen effiziente Vorhersagen ermöglichen, die sich für simulationsbasierte Systemanalysen eignen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen