Ein diskreter differentialgeometrischer Rahmen für skalierbare gekoppelte Mehrphasensimulationen unter Verwendung hybrider Lagrange-Euler-Methoden in mesoporösen Systemen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Lutz Mädler
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 536406449

Viele wichtige Prozesse in der chemischen Technik erfordern ein tiefes Verständnis von mehrschichtigen Mehrphasensystemen, um neuartige Verarbeitungsprozesse zu entwickeln, Produkteigenschaften zu simulieren und genaue Modelle für die Kontrolle und Wartung während des normalen Betriebs zu entwickeln. Bei porösen Materialien und Partikelschichten geht es im Wesentlichen um Wechselwirkungen zwischen beweglichen festen Phasen wie Partikeln oder Fasern mit zwei oder mehr fluiden Phasen (flüssig(-flüssig)-gas) auf der Meso- und Makroskala, die phänomenologische Effekte haben, die ihre makroskopischen Eigenschaften verändern. Solche porösen Materialien oder Filme auf Partikelbasis finden zunehmend Verwendung in industriellen Produkten und Verfahren wie Solarzellen, Batterien, Katalysatoren, Sensoren und Beschichtungsverfahren. Die genaue direkte numerische Simulation dieser Systeme ist aufgrund der Mehrphasenphysik mit Oberflächenspannung an den Grenzflächen und viskosen Effekten in der Flüssigkeits- und/oder Gasphase eine Herausforderung für die Berechnung der Eigenschaften des Partikelfilms und der Geräteeigenschaften. Der Schwerpunkt dieses Projekts liegt auf der Verbesserung aktueller Modelle und Methoden im Rahmen von CFD-DEM mit besonderem Augenmerk auf strengen, netzunabhängigen Formulierungen hybrider Lagrange-Euler-Modelle und Simulationsmethoden für gekoppelte Dreiphasensimulationen. Insbesondere werden die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der diskreten Differentialgeometrie genutzt, um neue Operatoren für Geschwindigkeits-, Druck- und Oberflächenspannungsberechnungen in einem einheitlichen Fluid-Festkörper-Impuls-Gleichgewichtsrahmen zu entwickeln. Zu den Vorteilen der neuen Methode gehören die Verwendung von Tensoroperationen in einem einzigen Zeitschritt, die Möglichkeit der Verwendung anderer etablierter Integratoren für gewöhnliche Differentialgleichungen, die nicht auf einer iterativen Kopplung zwischen den Flüssigkeits- und Festkörperlösern beruhen, sowie strenge Fehlerschätzungen für die Diskretisierung von Phasengrenzflächen. Dies würde wesentlich schnellere direkte numerische Simulationen von mehrschichtigen Mehrphasensystemen ermöglichen, ohne dass die Genauigkeit durch die Verwendung pauschaler Modelle oder netzabhängiger Gitterverfeinerungen beeinträchtigt wird. Die Forschung konzentriert sich auf grundlegende Testfälle, die die grundlegende Physik, die modelliert wird, demonstrieren, um den neuen Rahmen und die Methoden zu validieren. Diese Fälle konzentrieren sich auf die Validierung einfacher kompressibler Strömungen, inkompressibler Stoßströmungen und dreiphasiger Oberflächenspannungswechselwirkungen in Partikel-Partikel-Flüssigkeitsbrücken. Alle Entwicklungen werden in leistungsstarke Open-Source-Softwarebibliotheken implementiert, die der Allgemeinheit zur Verfügung stehen und für die skalierbare Simulation praktischer mehrphasiger CFD-DEM-Systeme verwendet werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen