Entwicklung einer trennflächenauflösenden numerischen Methode für eine große Anzahl von Blasen in der Größenordnung der Kolmogorov- Länge in homogener isotroper turbulenter Strömung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Schröder
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 536555656

Die Wechselwirkung einer großen Anzahl deformierbarer Blasen der Kolmogorov-Größe mit turbulenten Strömungen spielt in zahlreichen technischen Anwendungen der Chemie- oder Verfahrenstechnik eine wichtige Rolle. Für blasenbeladene Strömungen kann festgestellt werden, dass je nach Verhältnis von Blasengröße und minimaler charakteristischer Längenskala des turbulenten Trägerfluids, d.h. der Kolmogorov-Skala, unterschiedliche numerische Methoden existieren. Wenn die Blasengröße im Vergleich zur turbulenten Längenskala groß ist, werden grenzflächenauflösende Verfahren verwendet. Andererseits sind Modelle reduzierter Ordnung der Stand der Technik, wenn eine große Anzahl kleiner Blasen betrachtet wird. In diesem Fall werden Lagrangesche Modelle verwendet, die auf vereinfachenden Annahmen beruhen. Um die Grenzen dieser Modelle, die durch die vereinfachte Betrachtung des Einflusses der Oberflächenspannung und der Änderung der Blasenform auf die turbulenten Strukturen im Trägerfluid hervorgerufen werden, zu bestimmen, sind skalenauflösende Gas-Flüssigkeits-Grenzflächenberechnungen erforderlich, die eine hochgenaue und effiziente numerische Methode erfordern. Daher werden neue direkte grenzflächenauflösende numerische Methoden (Direct Bubble-Fluid Simulation (DBFS)) und Parallelisierungsstrategien entwickelt, welche die Analyse der Wechselwirkung von zehntausenden Blasen der Kolmogorov-Skala mit der turbulenten Strömung ermöglichen. Die große Anzahl der Blasen ist dabei wegen der erforderlichen statistischen Analyse der Simulationsergebnisse erforderlich. Es werden zwei Lattice-Boltzmann-Löser für die Modellierung der flüssigen und gasförmigen Phase gekoppelt. Die Phasengrenze wird mithilfe eines Level-Set-Ansatzes erfasst, bei dem die geometrischen Informationen verwendet werden, um die Kopplungsbedingung zwischen den beiden Strömungslösern sowie den Effekt der Oberflächenspannung aufzuprägen. Um die erforderliche Anzahl an Gitterzellen zu reduzieren und die verfügbare Hardware so effizient wie möglich zu nutzen, werden adaptive Netzverfeinerungs- und dynamische Lastausgleichsverfahren eingesetzt. Nach der Validierung dieses neuartigen Ansatzes anhand von Referenzfällen aus der Literatur wird der kanonische Fall isotroper Turbulenz betrachtet, um ein grundlegendes Verständnis der Mehrphasenwechselwirkung kleiner deformierbarer Blasen zu gewinnen sowie den Einfluss der Oberflächenspannung und der Blasendeformation auf das turbulente Nahfeld der Blasen zu bestimmen. Die Daten dienen als Grundlage für die Bewertung von Modellen reduzierter Ordnung. Der detaillierte Vergleich mit den Lösungen der Lagrangeschen Standardmodelle wird die Grenzen der Low-Fidelity-Ansätze aufzeigen und die physikalischen Mechanismen verdeutlichen, die diese Grenzen bestimmen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Matthias Meinke