Herleitung und Realisierung von FEM-Diskretisierungen und Mehrgitter-Lösern zur effizienten numerischen Simulation von mehrphasigen Strömungen in Blasensäulenreaktoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei der Auslegung von Mehrphasenreaktoren braucht man möglichst genaue Informationen über ¨ o a das vorliegende Strömungsverhalten und die Reaktionsabläufe. Experimentelle Methoden erweisen sich oft als äußerst aufwendig und - bei industrietypischen Geometrien, Abmessungen und Betriebsbedingungen - kaum anwendbar. Verfügbare Simulationswerkzeuge für voll-instationäre a 3D-Konfigurationen sind dagegen noch nicht effizient genug, und es besteht noch Klärungsbedarf bei der entsprechenden physikalischen Darstellung und Modellierung. Wesentliches Ziel dieses Projektes war daher die Weiterentwicklung und Implementierung von robusten und genauen Diskretisierungsverfahren und effizienten Lösungsalgorithmen für den Einsatz in dreidimensionalen numerischen Simulationen von Blasenströmungen in Gas-Flüssigkeits-Reaktoren, die innerhalb der Open-Source CFD-Software FEATFLOW realisiert werden sollten. Auf der Basis eines weitgehend anerkannten Drift-Flux-Modells und entsprechender Erweiterungen wurden numerische Simulationen für Benchmark-Konfigurationen wie auch industrierelevante Geometrien durchgeführt. Anhand derer konnte einerseits die hergeleitete Methodik und Software validiert und andererseits die physikalische Bedeutung der einzelnen Modellkomponenten untersucht und kritisch bewertet werden. Die auf der Basis von FEATFLOW weiterentwickelten Simulationswerkzeuge ermöglichen es, das Geschehen im Inneren der Apparatur mit Hilfe von modernen High-Performance Computing Techniken (hochauflösende FEM-Diskretisierungen, implizite Zeitschrittverfahren, adaptive Steuerungsmechanismen, optimierte Mehrgitterlöser) besser zu untersuchen. Als eine der mathematischen Hauptaufgaben mussten dazu spezielle hochauflösende Methoden zur numerischen Behandlung von konvektionsdominanten Transportgleichungen, insbesondere bei mehrphasigen Turbulenzmodellen, weiterentwickelt werden, die physikalisch sinnvolle, oszillatioonsfreie Lösungen liefern, ohne mit numerischer Diffusion behaftet zu sein, so daß in Zukunft die physikalische Relevanz der zugrundeliegenden Modellkomponenten besser evaluiert werden kann. Auf der Basis dieser Methodik konnte zusätzlich das Drift-Flux-Modells erweitert werden, so daß auch Populationsbilanzen mit dem CFD-Löser gekoppelt werden können, die ebenfalls auf den hochauflösende FEM-Techniken beruhen und die die Untersuchung verschiedener Modellansätze und Kopplungsmethoden erlauben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Software. Implementierung unserer Blasensäulen-Modelle in COMSOL Multiphysics: COMSOL Chemical Engineering Module User’s Guide, Version 3.5, pp. 195-205
- Finite element discretization tools for gas-liquid flows. In: M. Sommerfeld (ed.), Bubbly Flows: Analysis, Modelling and Calculation, Springer, 2004, 191-201
D. Kuzmin, S. Turek
- Numerical Simulation of Turbulent Bubbly Flows, 3rd International Symposium on Two-Phase Flow Modelling and Experimentation, Pisa, 2004 Sept.
D. Kuzmin and S. Turek
- Algebraic flux correction III. Incompressible ?ow problems. In: D. Kuzmin, R. Löhner and S. Turek (eds.) Flux-Corrected Transport: Principles, Algorithms, and Applications. Springer, 2005, 251-296
S. Turek and D. Kuzmin
- Finite element simulation of turbulent bubbly flows in gas-liquid reactors. Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, Nummer 298, TU Dortmund, 2005
D. Kuzmin, S. Turek and H. Haario
- Finite element simulation of turbulent bubbly flows, Goslar, 20.05.2006
- Finite element simulation of turbulent bubbly flows. In: Preprints of the 7th German-Japanese Symposium on Bubble Columns, 20-23 May 2006, Goslar, Germany, VDI-GVC, 2006, 205-210
O. Mierka, D. Kuzmin and S. Turek
- Population balances coupled with the CFD code FeatFlow. Institute of Mathematics, Berlin University of Technology, 2006
D. Kuzmin, V. Mehrmann, S. Schlauch, A. Sokolov and S. Turek
- Hochauflösende Finite-Elemente-Methoden für numerische Simulationen von Mehrphasenströmungen, Saarbrücken, 27.11.2007
- Mathematical modeling and numerical simulations of reactive flows in channels, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, Nummer 346, TU Dortmund, 2007
F. Platte, O. Mierka, S. Hysing, M.N. Kashid, S. Turek
- On the implementation of the k-epsilon turbulence model in incompressible flow solvers based on a finite element discretization. Int. J. Comp. Sci. Math. 1 (2007) 193-206
D. Kuzmin, O. Mierka and S. Turek
- Modeling and numerical aspects of population balance equations in gas/liquid-liquid two phase, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, Nummer 374, TU Dortmund, 2008
E. Bayraktar, O. Mierka, F Platte, D. Kuzmin, S. Turek
- Numerical Simulation of Multiphase Flows using High-Resolution Finite Element Schemes, Houston, 03.04.2008
- Vorhersage der Größenverteilung von Tropfen in statischen Mischern auf Basis eines gekoppelten CFD-Populationsbilanzen-Ansatz, April 2008, ProcessNet: Jahrestreffen des Fachausschusses Mischvorgänge vom 31.03. - 01.04.2008
- Numerical Aspects and Implementation of Population Balance Equations Coupled with Turbulent Fluid Dynamics, Computers & Chemical Engineering, 2008
E. Bayraktar, O. Mierka, F. Platte, D. Kuzmin and S. Turek
