Nachwuchsgruppe "Advanced modelling of multiphase flows"

Förderung

Die Förderung der Nachwuchsgruppe war Bestandteil des Projektes "Crossing borders and scales - an interdisciplinary approach (CROSSING)", gefördert durch die Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e. V. im Rahmen des Förderprogramms „Helmholtz European Partnering“. Die Laufzeit betrug 5 Jahre von 2019 bis 2023.

Beteiligte Partner

Jožef Stefan Institut (JSI): Computer Systems Department und Reactor Engineering Division

Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf (HZDR): Computational Fluid Dynamics

Motivation

Ziel ist es eine langfristige strategische Partnerschaft zwischen dem HZDR und dem JSI in Slovenien aufzubauen und exzellente Forschung im Bereich der numerischen Simulation von Mehrphasenströmungen zu betreiben.

Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf der numerischen Simulation von kondensationsinduzierten Wasserhämmern, was trotz der enormen Fortschritte auf dem Gebiet der Mehrphasenströmungen auch heutzutage ein sehr komplexes Problem mit vielen Herausforderungen darstellt. Das JSI und das HZDR haben sich bereits in der Vergangenheit intensiv mit diesem Phänomen auseinandergesetzt und im Rahmen der Nachwuchsgruppe sollen die Erkenntnisse zusammengeführt werden, um damit einen Beitrag zur Modellierung von Mehrphasenströmungen zu leisten.

Die Arbeiten sind in die Aktivitäten des HZDR zur OpenFOAM Foundation Software des HZDR eingebettet.

Arbeitspakete

Qualifikation der OpenFOAM Foundation Software für turbulente Grenzflächen im Zwei-Fluid-Modells

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.

Qualifikation der OpenFOAM Foundation Software für stratifizierte Strömungen mit Wärme- und Stoffübergang

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.

Entwicklung und Anwendung von Methoden des maschinellen Lernens für die Populationsbilanzmodellierung

Die am HZDR entwickelte und in das Release der OpenFOAM Foundation eingebrachte inhomogene Klassenmethode zur Modellierung der Größenverteilung von Blasen, Tröpfchen oder fraktalen Agglomeraten benötigt in einer numerischen Simulation bis zu 90% der Rechenzeit eines Zeitschrittes. Die Implementierung der Klassenmethode auf Grafikprozessoren (Cuda) und die Anwendung von Methoden des maschinellen Lernens ermöglichen eine signifikante Reduktion der Rechenzeit und damit größere und anspruchsvoller Mehrphasensimulationen.

Team

Gruppenleiter

Dr. Fabian Schlegel, Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf

Mitglieder

Dr. Matej Tekavčič, Postdoktorand, Reactor Engineering Division, Jožef Stefan Institute

Dr. Richard Meller, Postdoktorand, Computational Fluid Dynamics Department, Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf

Gašper Petelin, Doktorand, Computer Systems Department, Jožef Stefan Institute

Publikationen

2024

• Meller, R.; Krull, B.; Schlegel, F. u. a.
  Numerical Transfer Towards Unresolved Morphology Representation in the MultiMorph Model
  Nuclear Engineering and Design 428(2024), 113470 (10.1016/j.nucengdes.2024.113470)
• Krull, B.; Meller, R.; Tekavcic, M. u. a.
  A filtering approach for applying the two-fluid model to gas-liquid flows on high resolution grids
  Chemical Engineering Science 290(2024), 119909 (10.1016/j.ces.2024.119909)
• Hänsch, S.; Draw, M.; Evdokimov, I. u. a.
  Multiphase Cases Repository by HZDR for OpenFOAM Foundation Software
  Software im HZDR-Daten-Repositorium RODARE:
  Publication date: 2024-11-29 Open access
  DOI: 10.14278/rodare.811
  Versions: 10.14278/rodare.3286 | 3104 | 3056 | 3017 | 2322 | 2186 | 1925 | 1880 | 1049 | 927 | 812
  License: CC-BY-4.0
• Schlegel, F.; Bilde, K. G.; Draw, M. u. a.
  Multiphase Code Repository by HZDR for OpenFOAM Foundation Software
  Software im HZDR-Daten-Repositorium RODARE:
  Publication date: 2024-11-29 Open access
  DOI: 10.14278/rodare.767
  Versions: 10.14278/rodare.3284 | 3105 | 3055 | 3019 | 2321 | 2318 | 2185 | 1877 | 1869 | 1742 | 1496 | 1480 | 1195 | 1133 | 1125 | 1048 | 896 | 795 | 768
  License: GPL-3.0-or-later

2023

• Wang, L.; Krull, B.; Meller, R. u. a.
  Simulation of droplet entrainment in annular flow with a morphology adaptive two-fluid model
  Physics of Fluids 35(2023)10, 103312-1-103312-16 (10.1063/5.0169288)
• Wiedemann, P.; Meller, R.; Schubert, M. u. a.
  Application of a hybrid multiphase CFD approach to the simulation of gas–liquid flow at a trapezoid fixed valve for distillation trays
  Chemical Engineering Research and Design 193(2023), 777-786 (10.1016/j.cherd.2023.04.016)
• Meller, R.; Tekavcic, M.; Krull, B. u. a.
  Momentum exchange modelling for coarsely resolved interfaces in a multifield two-fluid model
  International Journal for Numerical Methods in Fluids 95(2023)9, 1521-1545 (10.1002/fld.5215)
• Lyu, H.; Lucas, D.; Rzehak, R. u. a.
  Bubbly flow simulation with particle-center-averaged Euler-Euler model: Fixed polydispersity and bubble deformation
  Chemical Engineering Research and Design 190(2023), 421-433 (10.1016/j.cherd.2022.12.033)
• Lyu, H.; Schlegel, F.; Rzehak, R. u. a.
  Euler-Euler model of bubbly flow using particle-center-averaging method
  Nuclear Science and Engineering 197(2023), 2602-2619 (10.1080/00295639.2022.2131344)
• Yin, J.; Zhang, T.; Krull, B. u. a.
  A CFD approach for the flow regime transition in a gas-liquid vane-type separator
  International Journal of Multiphase Flow 159(2023), 104320 (10.1016/j.ijmultiphaseflow.2022.104320)

2022

• Tai, C.-K.; Bolotnov, I.; Evdokimov, I. u. a.
  Development of machine learning framework for interface force closures based on bubble tracking data
  Beitrag zu Proceedings:
  19th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-19), 06.-11.03.2022, Brüssel, Belgien
  Proceedings of NURETH-19
• Tai, C.-K.; Bolotnov, I.; Evdokimov, I. u. a.
  Development of machine learning framework for interface force closures based on bubble tracking data
  Nuclear Engineering and Design 399(2022), 112032 (10.1016/j.nucengdes.2022.112032)
• Lyu, H.; Lucas, D.; Rzehak, R. u. a.
  A particle-center-averaged Euler-Euler model for monodisperse bubbly flows
  Chemical Engineering Science 260(2022), 117943 (10.1016/j.ces.2022.117943)
• Meller, R.; Schlegel, F.; Klein, M.
  Sub-grid scale modelling and a-posteriori tests with a morphology adaptive multifield two-fluid model considering rising gas bubbles
  Flow, Turbulence and Combustion 108(2022), 895-922 (10.1007/s10494-021-00293-8)
• Schlegel, F.; Meller, R.; Krull, B. u. a.
  OpenFOAM hybrid - A Morphology Adaptive Multifield Two-fluid Model
  Vortrag (Konferenzbeitrag):
  19th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH 19), 06.-11.03.2022, Brüssel, Belgien
• Schlegel, F.; Meller, R.; Krull, B. u. a.
  OpenFOAM hybrid - A Morphology Adaptive Multifield Two-fluid Model
  Beitrag zu Proceedings:
  19th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-19), 06.-11.03.2022, Brüssel, Belgien
  Proceedings of the 19th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics
• Schlegel, F.; Meller, R.; Krull, B. u. a.
  OpenFOAM hybrid - A Morphology Adaptive Multifield Two-fluid Model
  Nuclear Science and Engineering 197(2022)10, 2620-2633 (10.1080/00295639.2022.2120316)
• Lehnigk, R.; Bainbridge, W.; Liao, Y. u. a.
  An open-source population balance modeling framework for the simulation of polydisperse multiphase flows
  AIChE Journal 68(2022)3, e17539 (10.1002/aic.17539)

2021

• Hänsch, S.; Evdokimov, I.; Schlegel, F. u. a.
  A workflow for the sustainable development of closure models for bubbly flows
  Chemical Engineering Science 244(2021), 116807 (10.1016/j.ces.2021.116807)
• Rzehak, R.; Liao, Y.; Meller, R. u. a.
  Radial pressure forces in Euler-Euler simulations of turbulent bubbly pipe flows
  Nuclear Engineering and Design 374(2021), 111079 (10.1016/j.nucengdes.2021.111079)
• Tekavčič, M.; Meller, R.; Schlegel, F.
  Validation of a morphology adaptive multi-field two-fluid model considering counter-current stratified flow with interfacial turbulence damping
  Nuclear Engineering and Design 379(2021), 111223 (10.1016/j.nucengdes.2021.111223)
• Meller, R.; Schlegel, F.; Lucas, D.
  Basic verification of a numerical framework applied to a morphology adaptive multi-field two-fluid model considering bubble motions
  International Journal for Numerical Methods in Fluids 93(2021)3, 748-773 (10.1002/fld.4907)

2020

• Meller, R.; Schlegel, F.; Lucas, D. u. a.
  Numerical framework for a morphology adaptive multi-field two-fluid model in OpenFOAM
  Software im HZDR-Daten-Repositorium RODARE:
  Publication date: 2020-04-06 Open access
  DOI: 10.14278/rodare.286
  Versions: 10.14278/rodare.713 | 287
  License: GPL-3.0-only
• Liao, Y.; Upadhyay, K.; Schlegel, F.
  Eulerian-Eulerian two-fluid model for laminar bubbly pipe flows: validation of the baseline model
  Computers & Fluids 202(2020), 104496 (10.1016/j.compfluid.2020.104496)