Kontakt

Dr. Fabian Schlegel

Nachwuchs­gruppenlei­ter „Advanced modelling of multiphase flows“
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

Die quelloffene Software OpenFOAM hat sich in den vergangenen Jahrzehnten zur führenden Software für die numerische Simulation von Strömungen (engl. Computational Fluid Dynamics, CFD) in ingenieurstechnischen Anwendungen entwickelt. Ein Vorteil von quelloffener Software ist unter anderem die vollständige Verfügbarkeit des Quellcodes und damit eine umfassende Transparenz der verwendeten Algorithmen und Modelle, was beispielsweise beim Einsatz im Auslegungsprozess von verfahrens- und energietechnischen Apparaten von großer Bedeutung ist. Darüber hinaus ermöglicht sie die umfängliche Einhaltung der FAIR-Prinzipien (engl. findability, accessibility, interoperability, and reusability) für Forschungssoftware und Publikationen.

Seit einigen Jahren werden zentrale Entwicklungen zur numerischen Simulation von Mehrphasenströmungen am HZDR in OpenFOAM umgesetzt. Dazu hat das HZDR im Jahr 2017 das Contributors Agreement mit der OpenFOAM Foundation unterzeichnet und damit die einzigartige Möglichkeit aktiv zur Entwicklung von OpenFOAM beizutragen. Beispielsweise wurde 2017 gemeinsam mit VTT Technical Research Centre of Finland Ltd. die Populationsbilanzmodellierung in OpenFOAM hinzugefügt und seitdem beständig weiterentwickelt.

Darüber hinaus wird mit dem HZDR Multiphase Addon für OpenFOAM eine eigene Erweiterung für die Simulation von Mehrphasenströmungen und mit der HZDR Multiphase Case Collection eine Validierungsdatenbank für OpenFOAM entwickelt. Beides wird im Rossendorfer Data Repository bereitgestellt. Seit 2020 koordiniert das HZDR zudem die Entwicklungsarbeiten zu OpenFOAM_RCS (RCS - Reactor Coolant Systems), einer Erweiterung von OpenFOAM für die Simulation des Reaktorkühlkreislaufes von Kernkraftwerken. Als Mitglied des OpenFOAM Process Engineering Consortium ist das HZDR außerdem eng mit der verfahrenstechnischen Industrie vernetzt und kann seine Entwicklungen entsprechend ausrichten und diese zur industriellen Anwendungsreife führen.

Aktuelle Projekte

Agile Softwareentwicklung für die CFD-Bibliothek OpenFOAM

Agile Softwareentwicklung für die CFD-Bibliothek OpenFOAM ©Copyright: Dr. Schlegel, Fabian

Die OpenFOAM Foundation entwickelt OpenFOAM nach dem Konzept der kontinuierlichen Integration. Als Beitragender zum Release und Entwickler einer eigenen Erweiterung für OpenFOAM stellt diese Entwicklungsstrategie eine enorme Herausforderung dar. Die Helmholtz Cloud Services bilden die Grundlage für einen hohen Grad von Automatisierung im Softwareentwicklungsprozess und ermöglichen es die zur Verfügung stehenden Ressourcen effizient einzusetzen. Die eigene Erweiterung dient dabei einerseits für Machbarkeitsstudien, aber auch zur Entwicklung von Funktionalität bis hin zu produktionsreifer Software. Die Verwendung von Gitlab als Entwicklungs- und Mattermost als Kommunikationsplattform ermöglicht die gemeinsame Entwicklung der Software, und unterstützten die intensive Kooperation mit internationalen Partnern.

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Baseline-Automatisierung mit Hilfe wissenschaftlicher 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 Repositorys 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 Validierungsbericht ermöglicht. Damit wird die nachhaltige Entwicklung und aussagekräftige Beurteilung neuer Baseline-Modelle möglich.

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Large-Eddy-Simulationen (LES) aufgelöster Phasengrenzflächen

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

Nach dem Prinzip der Skalentrennung können 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.


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 Becken 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).


OpenFOAM-Hybrid: Morphologie-adaptives Zwei-Fluid-Modell

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

Das Zwei-Fluid-Modell (Euler-Euler) wird derart erweitert, dass die numerische Simulation von koexistierenden aufgelösten (kontinuierlichen) und kleinskaligen (polydispersen, beispielsweise Tropfen oder Blasen) Strukturen 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 eine auflösungsabhängige Widerstandsformulierung direkt an der Grenzfläche, die Modellierung der Interaktion von Turbulenz und Grenzflächengeometrie, die Interaktion von dispersen Strukturen mit Grenzflächen sowie der Stoff- und Morphologieübergang zwischen angrenzenden Phasen (Entrainment, Detrainment, Impingement, Detachment, Flüssigkeitsfilm).

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OpenFOAM_RCS: Nachhaltige Entwicklung von Simulationssoftware für die Modellierung von Reaktorkühlkreisläufen

Stromlinien in einem Reaktordruckbehälter ©Copyright: Dr. Hoehne, Thomas

Auf Grund der wachsenden Bedeutung von Computational Fluid Dynamics (CFD) für die Reaktorsicherheitsforschung gibt es schon seit vielen Jahren Aktivitäten mit dem Ziel einer entsprechenden Qualifizierung der verfügbaren CFD-Methoden. Das umfasst sowohl die Modellentwicklung als auch die Validierung anhand detaillierter experimenteller Daten, welche in umfangreichen Vorhaben generiert wurden. Entwicklungsbedarf gab und gibt es dabei u.a. für Mehrphasenströmungen, hier insbesondere für Störfallszenarien im Primärkreislauf. Um die in den verschiedenen vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Vorhaben durchgeführten Modellentwicklungen und –validierungen langfristig nutzen zu können, werden diese in dem Referenz-Code OpenFOAM durchgeführt, welcher damit für entsprechende Anwendungen qualifiziert wird. Das hier vorgestellte Projekt verfolgt das Ziel, Software und Simulationsmodelle von Partnerinstitutionen in einem gemeinsamen Repository zusammenzuführen und nachhaltig zu pflegen.

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Populationsbilanzmodellierung für polydisperse Zweiphasenströmungen

Aufnahme einer polydispersen Blasenströmung ©Copyright: Hessenkemper, Henrik

Eine Vielzahl der in Natur und Technik auftretenden Zweiphasenströmungen sind dadurch gekennzeichnet, dass eine als kontinuierlich bezeichnete Phase ein zusammenhängendes Gebiet einnimmt, während die andere sogenannte disperse Phase in Gestalt von Blasen, Tropfen oder Partikeln vorliegt. Die Größe der Partikel ist hierbei in der Regel unterschiedlich, wodurch eine polydisperse Zweiphasenströmung vorliegt. Am HZDR werden Methoden entwickelt, welche es erlauben die räumliche und zeitliche Entwicklung von Partikelgrößenverteilungen in technischen Anwendungen zu simulieren. Die zugehörigen Implementierungen werden im OpenFOAM Release zur Verfügung gestellt.

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Schwerpunktgemitteltes Euler-Euler-Model

Behandlung der Blasenkräfte im phasen-gemittelten und schwerpunkgemittelten Euler-Euler Modell ©Copyright: Lyu, Hongmei

Im auf der Phasenmittelung basierenden Euler-Euler-Model sind die Blasenkräfte eine Funktion der lokalen Volumenfraktion. Die entwickelten Schließungsmodelle basieren jedoch zumeist auf der Annahme, dass die Kräfte am Schwerpunkt der Blase angreifen. In Simulationen mit einer hohen Gitterauflösung kann diese Annahme zu einer unphysikalischen Gaskonzentration führen, beispielsweise im Zentrum eines Kanals oder in der Nähe der Wand. Das schwerpunktgemittelte Euler-Euler-Model ermöglicht es, diese Inkonsistenz zu beseitigen, indem stattdessen die Blasendichte betrachtet wird, aus welcher durch eine geeignete Konvolution die Volumenfraktion berechnet wird. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Blasenabmessungen und die Verformung der Blase durch eine anisotrope Diffusion berücksichtigt werden können.



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Nachwuchs­gruppenlei­ter „Advanced modelling of multiphase flows“
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