Kontakt

Dr. Fabian Schlegel

wissen­schaftlicher Mitarbeiter
Computational Fluid Dynamics
f.schlegelAthzdr.de
Tel.: +49 351 260 3467

In diesem Projekt werden die zentralen Entwicklungen zur numerischen Simulation von Mehrphasenströmungen am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf in der C++ Bibliothek OpenFOAM umgesetzt. Der uneingeschränkte Zugriff auf den Quellcode bietet, im Gegensatz zu kommerziellen Programmen, deutlich umfangreichere Möglichkeiten für die Entwicklung neuer physikalischer Modelle und Simulationsmethoden.

Modellierung von Mehrphasenströmungen mit OpenFOAM

Im Sinne einer nachhaltigen Forschung und einer breiten Nutzung der Forschungsergebnisse des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf werden die zentralen Entwicklungen zur numerischen Simulation von Mehrphasenströmungen in der quelloffenen Bibliothek OpenFOAM umgesetzt. Dazu hat das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf im Jahr 2017 das Contributors Agreement mit der OpenFOAM Foundation unterzeichnet und trägt damit aktiv zur Entwicklung von OpenFOAM im Bereich Mehrphasenströmungen bei. Als Mitglied des OpenFOAM Process Engineering Consortium ist das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf dabei eng mit der verfahrenstechnischen Industrie vernetzt und kann seine Entwicklungen entsprechend ausrichten und diese bis zur industriellen Anwendungsreife zu führen.


Aktuelle Arbeitspakete

Baseline Automatisierung mit Hilfe wissenschaftlichen Workflow-Systeme

Wissenschaftlicher Workflow zur Automatisierung des Baseline-Modells ©Copyright: Hänsch, Susann

Die Baseline-Strategie erfordert das Analysieren und Bewerten einer Vielzahl von Cases für Blasenströmungen, welche Teil eines umfangreichen, stetig anwachsenden Repository der CFD-Abteilung sind. Für die effiziente Validierung neuer Modelle wird eine automatisierte Workflow-Umgebung entwickelt, welche die gemeinsame Simulation von allen ~400 Cases und deren Evaluierung in einem Report ermöglicht. Damit wird die nachhaltige Entwicklung und aussagekräftige Beurteilung neuer Baseline-Modelle möglich.


Large-Eddy-Simulationen (LES) aufgelöster Phasengrenzflächen

Aufsteigende Gasblase in ruhendem Liquid mit charakteristischen Wirbelstrukturen der Nachlaufströmung. ©Copyright: Meller, Richard

Analog zum Vorgehen für Phasengrenzflächen, können nach dem Prinzip der Skalentrennung auch turbulente Wirbelstrukturen (engl. eddies) in Grob- und Feinstrukturen eingeteilt werden. Typischerweise werden in einer LES erstere räumlich und zeitlich aufgelöst und letztere durch Modellierung berücksichtigt. Im Kontext von Mehrphasenströmungen im Zwei-Fluid-Modell gibt es neben den "klassischen" turbulenten Spannungen weitere Beiträge, welche die Dynamik und das Zusammenspiel von Phasengrenzflächen und Turbulenz beschreiben. Dafür werden unterschiedliche Modelle und deren Kombination auf Eignung zur a-posteriori-Anwendung in technisch relevanten Simulationen untersucht.


Populationsbilanzmodellierung auf der Grundlage einer Klassenmethode

Skizze für binären Zerfall auf nicht-äquidistanten Gittern ©Copyright: Lehnigk, Ronald

Die in der Industrie auftretenden Blasenströmungen sind in der Regel polydispers, d.h. es treten Blasen unterschiedlicher Größe und Geschwindigkeit auf. Dies beeinflusst die Stoff- und Wärmeübergangscharakteristik zwischen den Medien und muss bei einer Computersimulation berücksichtigt werden. Ein etabliertes Lösungsverfahren zur Bestimmung von Blasengrößenverteilungen, welches am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf genutzt und weiterentwickelt wird, ist die sogenannte Klassenmethode (Kumar & Ramkrishna, Chemical Engineering Science 51, 1311-1342, 1996). Hierbei erfolgt eine Klassifizierung in Größen- und Geschwindigkeitsgruppen. Die OpenFOAM Bibliothek wurde um eine derartige Methode erweitert und der Code ist im Release der OpenFOAM-Foundation enthalten (Commit).


Verallgemeinertes CFD-Modell für Mehrphasenströmungen (Gentop)

Generierung disperser Gasblasen durch einen Wasserstrahl, welcher auf eine Oberfläche trifft ©Copyright: Couteau, Arthur

Das Zwei-Fluid-Modell (Euler-Euler) wird derart erweitert, sodass die numerischen Simulation von koexistierenden aufgelösten (kontinuierlich) und kleinskaligen (polydispersen) Gasstrukturen gemeinsam möglich wird. Hierzu ist es erforderlich die numerische Methode in OpenFOAM an aktuelle Entwicklungen anzupassen (Cubero et al., Computers & Chemical Engineering 62, 96 - 107, 2014) und neue, generalisierte Modelle für die Beschreibung der aufgelösten Grenzflächen abzuleiten. Dazu gehören die anisotrope Formulierung des Widerstandes direkt an der Grenzfläche, die Modellierung der Interaktion von Turbulenz und Grenzflächengeometrie, der Stoffübergang zwischen angrenzenden Phasen sowie der Einsog (Entrainment) disperser Gasstrukturen in Bereichen besonders ausgeprägter Deformation der Phasengrenzfläche.


Modellierung horizontaler, stratifizierter Strömungen (AIAD)

Simulation einer stratifizierten Gas-Wasser Gegenströmung im WENKA Kanal ©Copyright: Dr. Tekavcic, Matej

Hierbei steht die Verbesserung der Modellierung von industriell relevanten turbulenten Zweiphasenströmungen mittels des Zwei-Fluid-Modells (Euler-Euler) im Mittelpunkt. Die aktuellen Arbeiten beschäftigen sich mit der Implementierung und Validierung von Modellen für den Wärme- und Stofftransport, z.B. Kondensation an freien Oberflächen. Wesentlicher Bestandteil ist der Impulsaustausch an der stratifizierten Oberfläche und die Modellierung der Turbulenz.


Modellierung der Blasendynamik für Pool Scrubbing

Numerische Simulation von Einzelblasen für Pool Scrubbing Awendungen ©Copyright: Dr. Liao, Yixiang

Pool Scrubbing ist eine effektive Methode um den Eintrag radioaktiver Aerosolpartikel in die Atmosphäre während eines nuklearen Störfalls zu verhindern. Der Grad der Dekontamination wird dabei u.a. durch das Wachstum und die Ablösung der Blase an den Düsen, die Oszillationen und Deformationen der Blase während des Aufstieges im Pool und durch Koaleszenz und Zerfall der Blasen beeinflusst. Der Fokus der Arbeiten liegt auf Studien zur Blasendynamik unter Bedingungen die beim Pool Scrubbing vorherrschen, wobei vorwiegend "Interface Tracking Methoden" zum Einsatz kommen. Die Arbeiten sind Bestandteil des internationalen Projektes IPRESCA (Integration of Pool scrubbing Research to Enhance Source-term Calculations).


Publikationen

Y. Liao, K. Upadhyay, F. Schlegel.
Eulerian-Eulerian two-fluid model for laminar bubbly pipe flows: validation of the baseline model.
Computers & Fluids, under review.

R. Meller, F. Schlegel, and D. Lucas.
A Morphology Adaptive Multi-Field Two-Fluid Model.
International Journal for Numerical Methods in Fluids, under review.

Y. Liao, R. Oertel, S. Kriebitzsch, F. Schlegel, and D. Lucas.
A Discrete Population Balance Equation for Binary Breakage.
International Journal for Numerical Methods in Fluids, 2018, 1–14, 10.1002/fld.4491.


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Dr. Fabian Schlegel

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