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Dr. Fabian Schlegel
Research Assistant
Computational Fluid Dynamics
f.schlegelAthzdr.de
Phone: +49 351 260 - 3467

Within this project the main developments for the numerical simulation of multiphase flows at Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf are transferred to the C++ library OpenFOAM. The complete access to the source code, in contrast to commercial CFD software, give rise to much more possibilities concerning the development of new physical models and simulation methods.

Modellierung von Mehrphasenströmungen mit OpenFOAM

OpenFOAM ist eine in C++ geschriebene Bibliothek zur Lösung partieller Differentialgleichungen, welche unter der GNU General Public Licence von der OpenFoam Foundation veröffentlicht wird. Der Fokus liegt dabei auf Methoden zur numerischen Simulation (CFD) turbulenter einphasiger und mehrphasiger Strömungen. In diesem Anwendungsfeld erlangt OpenFOAM zunehmend mehr Bedeutung in der wissenschaftlichen Gemeinschaft und in der Industrie. 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 OpenFOAM umgesetzt, u.a. Gentop, AIAD und iMUSIG. 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. Darüber hinaus bietet der uneingeschränkte Zugriff auf den Quellcode, im Gegensatz zu kommerziellen Programmen, wie Ansys CFX, deutlich umfangreichere Möglichkeiten für die Entwicklung neuer physikalischer Modelle und Simulationsmethoden, u.a. können eigene Strömungslöser entwickelt und neueste numerische Verfahren umgesetzt und getestet werden. 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 führen.


Aktuelle Arbeitspakete

Populationsbilanzmodellierung auf der Grundlage einer Klassenmethode

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 zugehörige Code befindet sich derzeit im Prozess der Veröffentlichung gemeinsam mit der OpenFOAM Foundation und CFD Direct.

Populationsbilanzmodellierung mittels Momentenmethode

Eine alternative Möglichkeit der Populationsbilanzmodellierung sind die Quadratur-basierten Momentenmethoden (QMOM), welche aufgrund Ihrer Effizienz einen populären Ansatz für die Kopplung mit der numerischen Strömungssimulation bieten. In Kooperation mit dem Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen der TU Bergakademie Freiberg werden derzeit Methoden entwickelt, welche es erlauben die Blasengeschwindigkeit als interne Variable in die Populationsbilanzlösung einzubeziehen. Auf diese Weise können räumliche Separationsprozesse von Blasen mit weniger Annahmen beschrieben werden.

Modellierung polydisperser Strömungen (Baseline)

Die Verbesserung der Vorhersagefähigkeit von numerischen Simulationen für polydisperse Strömungen ist ein zentraler Bestandteil der Baselinestrategie. Dazu müssen bestehende und neue Modelle für Impulsaustausch, Blasen-induzierte Turbulenz (BIT), Wandfunktionen, uvm. in OpenFOAM validiert, ggf. modifiziert und erweitert werden. Wesentlich ist hierbei auch der Vergleich mit kommerziellen Programmen zur numerischen Strömungssimulation, wie beispielsweise Ansys CFX.

Modellierung horizontaler, stratifizierter Strömungen (AIAD)

Hierbei steht die Beschreibung der freien Oberfläche in horizontalen, geschichteten Strömungen mittels des Zweifluid-Modells (Euler-Euler) im Mittelpunkt. Wesentlicher Bestandteil ist der Impulsaustausch an der Oberfläche und die Detektion der lokalen Strömungsmorphologie (Porombka & Hoehne, Chemical Engineering Science 134, 348 - 359, 2015). mehr ...

Verallgemeinertes CFD-Modell für Mehrphasenströmungen (Gentop)

Das Zweifluid-Modell (Euler-Euler) wird in geeigneter Weise 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. mehr ...



Phasenfeldmethode für Einzelblase

Die Phasenfeldmethode hat ihren Ursprung in der Metallurgie und basiert auf der Annahme einer diffusen Grenzfläche. Damit steht Sie im Gegensatz zu den bisher weit verbreiteten Ansätzen einer scharfen Grenzfläche, z.B. Level-Set, oder Volume-of-Fluid. Sie lässt sich auch für die Simulation von Gasblasen anwenden und erste Simulationen einer aufsteigenden Einzelblase nach Hysing et al., International Journal for Numerical Methods in Fluids 60, 1259-1288, 2009 sind vielversprechend.


Publikationen

Zeitschriftenartikel

Y. Liao, R. Oertel, F. Schlegel, D. Lucas.
An efficient discrete formulation of the birth by breakup term for application in CFD. 
In preparation.

Konferenzen

R. Oertel, D. Lucas and F. Schlegel.
A generalized multi-field two-fluid concept for numerical simulation of two-phase flows.
4th OpenFOAM User Conference, Cologne, 2016.

F. Schlegel, F. Gauß, E. Krepper and D. Lucas.
Evaluation of Gentop Concept for the Buoyancy-Driven Motion of a Single Bubble.
International Conference on Multiphase Flow, Firenze, 2016.


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