Entwicklung eines Euler/Lagrange-Verfahrens mit räumlich verteilter Kopplung
Final Report Abstract
Das klassische Euler/Lagrange-Verfahren zur Berechnung disperser Mehrphasenströmungen basiert auf der Annahme, dass die Partikel deutlich kleiner sind, als die für die Strömungsberechnung verwendeten Kontrollvolumina. Damit kann nur eine punktuelle Kopplung zwischen den Phasen realisiert werden (Punktpartikel-Approximation). Diese Voraussetzung kann aber nicht eingehalten werden, wenn große Partikel vorliegen und das numerische Gitter zur Auflösung der Strömung vergleichsweise fein aufgelöst werden muss. Die Partikelgröße kann dann durchaus in der Größenordnung der Gitterabmessung bzw. Kontrollvolumina liegen oder sogar größer sein. Technische Anwendung finden sich z.B. in Blasensäulenreaktoren bei denen sich Blasen mit Äquivalentdurchmessern von mehreren Zentimetern bilden können oder in festoffbeladenen Strömungen in Rohren und Kanälen, wo das numerische Gitter vor allem in Wandnähe fein sein muss, um die Strömung und Turbulenz hinreichend aufzulösen. Damit derartige mehrphasige Prozesse dennoch effizient berechnet werden können, wurde das Euler/Lagrange-Verfahren um einen innovativen Ansatz erweitert, damit die endlichen Abmessungen von großen Partikeln bei der Kopplung der Phasen näherungsweise berücksichtigt werden können. Die auf das Partikel wirkende Fluidgeschwindigkeit wird dabei nicht für die Schwerpunktslage berechnet, sondern aus den in Bewegungsrichtung liegenden Kontrollvolumina bestimmt. Die Rückwirkung der Partikel auf die Strömung wird durch räumlich verteilte Quellterme realisiert, mit denen eine räumlich verteilte Geschwindigkeitsstörung nachgebildet wird. Zur Validierung und Verbesserung der Modellierung des Euler/Lagrange-Verfahrens sowie zur Erweiterung des phänomenologischen Wissens wurden Einzelblasenuntersuchungen in einer Gitterturbulenz und Experimente zur Untersuchung der Wechselwirkung von Blasen und Partikeln (dreiphasige Strömungen) durchgeführt. Die Auswertung der Experimente basierte auf den Methoden der Particle-Tracking und Particle-Image-Velocimetry (PTV und PIV). Neben der experimentellen Arbeit wurden zur Validierung direkte numerische Simulationen (DNS) eingesetzt. In diesem Zusammenhang wurde das Lattice-Boltzmann-Verfahren zur Simulation des instationären Sedimentationsverhaltens von Einzelpartikeln verwendet. Des Weiteren konnten im Rahmen eines Kooperationsprojektes DNS von aufsteigenden Blasen in Turbulenz mit dem Front-Tracking-Verfahren genutzt werden, um zum einen die durchgeführten Experimente zu verifizieren und zum anderen konnten die Experimente zur Validierung der DNS dienen. Zur Absicherung der Ergebnisse konnte somit eine gegenseitige Validierung von Experiment und Simulation vorgenommen werden. Außerdem bildeten die DNS eine Grundlage für die weitere Verbesserung der Modellierung des Euler/Lagrange-Verfahrens im Hinblick auf die Berücksichtigung der Blasenform. Eine Kombination von kleinen Partikeln und Blasen wurde ebenfalls mit dem Euler/Lagrange-Verfahren mit räumlich verteilter Kopplung berechnet. Dafür wurde ein deterministisches Kollisionsmodell entwickelt mit dem die Partikel-Interaktion beim Vorliegen verschiedener Phasen berücksichtigt werden kann. Zur Validierung dienten Experimente von aufsteigenden Einzelblasen in einem sedimentierenden Partikelfeld.
Publications
- Euler/Lagrange-Verfahren mit räumlich verteilter Kopplung. GVC-Fachausschuss Computational Fluid Dynamics, Überlingen, März 2006
Reichardt, Th. und Sommerfeld, M.
- Euler-Lagrange approach with spatially distributed coupling. Proceedings of the 6th international conference on multiphase flow, ICMF2007, Leipzig, Germany, Paper No. S3_Mon_C_7, July 2007
Reichardt, Th. and Sommerfeld, M.
- Euler/Lagrange-Verfahren mit räumlich verteilter Kopplung. ProcessNet Fachausschuss Computational Fluid Dynamics, Würzburg, Februar 2008
Reichardt, Th. und Sommerfeld, M.
- Stereoscopic imaging for analysing bubble oscillation in turbulence. 14th International Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal, July 2008
Reichardt, Th. and Sommerfeld, M.
- Stereoskopische Aufnahmen zur Analyse der Blasenoszillation. ProcessNet Jahrestagung, Karlsruhe, Oktober 2008, Chemie Ingenieur Technik, Jahrg. 80, 1327-1328 (2008)
Reichardt, Th. und Sommerfeld, M.
- Experimental studies on bubble oscillation in turbulent flows. 5th European-Japanese Two- Phase Flow Group Meeting, Spoleto, Italy, September 2009
Reichardt, Th. and Sommerfeld, M.
- Experimental study on bubble rise in a dilute suspension. ETPFGM 09 & EFCE Multi-Phase, Bled, Slovenia, June 2009
Reichardt, Th. and Sommerfeld, M.
- Shadow imaging of bubble motion and oscillation. 5th International Berlin Workshop on Transport Phenomena with Moving Boundaries, Berlin, Germany, October 2009
Sommerfeld, M. and Reichardt, Th.
- Experimental studies on bubble oscillation in turbulent flow. CD-Rom Proceedings 12th Workshop on Two-Phase Flow Predictions, Halle (Saale), Germany, March 2010
Reichardt, Th. and Sommerfeld, M.
- Experimental study of bubble oscillation and motion in turbulence. 7th international conference on multiphase flow, ICMF 2010, Tampa, FL, USA, May 2010
Reichardt, Th. and Sommerfeld, M.
