Hochauflösende Simulationsmethode für die Mehrphasenströmung in rotierenden Spalten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Schröder
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik ; Strömungs- und Kolbenmaschinen ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510921053

Das Strömungsfeld von Schraubenkompressoren ist durch eine große Bandbreite fluiddynamischer Skalen charakterisiert, weshalb die numerischen Analysen auf Vereinfachungen wie Reynolds-gemittelte Navier-Stokes Gleichungen, Ein-Fluid-Ansätze etc. basieren, die die Genauigkeit der numerischen Daten reduzieren. Diese Genauigkeit ist jedoch erforderlich, um die Modellierung der Strömungen in Schraubenkompressoren zu verbessern. Deshalb wird unter Verzicht der oben genannten Vereinfachungen ein hocheffizientes hochauflösendes Simulationsverfahren für die Gas-Flüssigkeit-Mehrphasenströmung im Schraubenkompressorspalt entwickelt. Da die physikalischen Eigenschaften der beiden Phasen stark variieren, werden zwei verschiedene numerische Löser für die beiden Phasen und ein Level-Set-Löser zur Bestimmung der Flüssigkeit-Gas-Grenzfläche verwendet. Die Druckgradienten in der Spaltströmung von Schraubenkompressoren führen zu Dichteänderungen in der Gasphase. Diese Dichtevariationen werden durch eine Finite-Volumen-Methode modelliert. Die flüssige Phase ist hauptsächlich inkompressibel, für die die inkompressible, thermische Gitter-Boltzmann-Methode verwendet wird. Mit einer konservativen Level-Set-Methode wird die Topologie der verformbaren Gas-Flüssigkeit-Grenzfläche genau erfasst. Die Multiple Marker Methode stellt die Erhaltung der individuellen Blasen sicher. Die turbulente Strömung mit einer großen Anzahl von Blasen wird durch eine Large-Eddy-Simulation bestimmt. Um die Genauigkeit und Effizienz des Mehrphasenmodells zu verbessern, wird eine adaptive Netzverfeinerung (AMR) genutzt, so dass ein lokal verfeinertes Gitter in Bereichen der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche und in Gebieten mit erhöhter Komplexität verwendet wird. Darüber hinaus wird der Löser effizient parallelisiert. Für die Simulation von Tausenden verformbarer Blasen führen die Auflösungsanforderungen der Gas-Flüssigkeit-Grenzfläche zu einem AMR-Gitter mit Milliarden von Zellen. Daher wird das gekoppelte Mehrphasenverfahren so konzipiert, dass es die Vorteile moderner Hochleistungsrechnerplattformen nutzt. Dies wird durch einen hybriden Parallelisierungsansatz erreicht, bei dem Message-Passing für die Domänenzerlegung und die OpenMP-Schnittstelle verwendet werden, um die Rechenlast auf viele Prozessoren zu verteilen. Die Domänenzerlegung wird während der Simulation durch die Verwendung eines dynamischen Lastausgleichsalgorithmus kontinuierlich optimiert. Die Daten der numerischen Analysen der Couette- und Couette-Poiseuille-Strömung mit Blasen-Wand- und Blasen-Blasen-Wechselwirkungen sowie mit Blasenwachstum aufgrund von Druckgradienten bilden die wesentliche Grundlage für die Modellentwicklung im Teilprojekt A1.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5595: Öl-Kältemittel-Mehrphasenströmungen in Spalten mit bewegten Berandungen – Neuartige mikroskopische und makroskopische Ansätze für Experiment, Modellierung und Simulation