A Morphology-adaptive Multifield Two-fluid Model

Mehrphasige Strömungen zeichnen sich durch eine hohe Dynamik, sehr komplexe physikalische Vorgänge und eine große Spanne an Längenskalen aus. Dabei spielen insbesondere die Grenzflächen, welche sich zwischen den strömenden Fluiden ausbilden, eine besondere Rolle. Der Forschungsbedarf zur numerischen Simulation solcher Strömungen ist enorm und bei der Wahl eines geeigneten Verfahrens gilt es die Morphologie der Grenzflächen zu berücksichtigen. Entwickelt wurden bisher vorwiegend

• Verfahren zur Simulation von dispersen Strukturen (z. B. Euler-Euler, Euler-Lagrange) oder
• Verfahren, bei welchen die Grenzflächen aufgelöst werden (z. B. Volume-of-Fluid, Level-Set).

In einer Vielzahl von technischen Anwendungen, beispielsweise in Flotationszellen, Kältemaschinen, biologischen und chemischen Reaktoren, Destillationskollonen, drallbasierten Abscheidern oder Fliehkraftpumpen liegen diese verschiedenen Morphologien zeitgleich in einer Strömung vor und es gibt Übergänge zwischen diesen Morphologien. Daher ist die Anwendbarkeit der o.g. Verfahren in solchen Fällen problematisch.

Demonstration von des morphologie-adaptiven Zwei-Fluid-Modells für einen Wasserstrahl, welcher auf ein Wasserbecken trifft.

Modellansatz

Am HZDR wird seit einigen Jahren ein morphologie-adaptives Zwei-Fluid-Modell in der quelloffenen CFD-Software der OpenFOAM Foundation entwickelt. Der Quellcode ist im Rossendorfer Data Repository (RODARE) unter GNU/GPL v3 Lizenz verfügbar. Dabei handelt es sich um ein sogenanntes 4-Feld-Modell, welches in kontinuierliche Phasen mit einer aufgelösten Grenzfläche und disperse Phasen mit einer statistischen Modellierung der Grenzfläche unterscheidet.

Die wesentlichen Entwicklungskriterien und- ziele sind:

• robuste Anwendbarkeit für ingenieurstechnische Fragestellungen in der Chemie- und Verfahrenstechnik,
• Anwendung des Zwei-Fluid Modells für alle Morphologien,
• Ergebnisse für hochaufgelöste Grenzflächen ensprechen denen einer algebraischen Volume-of-Fluid-Simulation,
• Ergebnisse für niedrigaufgelöste, disperse Strukturen entsprechen entsprechen denen des Euler-Euler-Verfahrens,
• jede Phase hat eine spezifische Morphologie (dispers, kontinuierlich) und ist eine eigenständige numerische Phase,
• Massentransfermodelle realisieren den Morphologieübergang zwischen aufgelösten und dispersen Strukturen,
• disperse Phasen interagieren mit aufgelösten Grenzflächen (Übergang, Aufplatzen, Schaumbildung).

Entwicklungsstand

Einführung in den aktuellen Entwicklungsstand des morphologie-adaptiven Zwei-Fluid-Modells (Video in engl. Sprache)

Anwendungen

Eintauchender Flüssigkeitsstrahl

Ein Flüssigkeitsstrahl, der vertikal auf eine freie Oberfläche trifft ist einfach vorzustellen. Dieses Beispiel ist prototypisch für viele Situationen von technischer Relevanz, beispielsweise dem Befüllen von Flaschen oder ähnlichen Gefäßen. Die strömungsmechanischen Vorgänge, die dabei eine Rolle spielen, sind jedoch komplex und keineswegs leicht vorherzusagen. Dabei spielt neben dem Einschluss großer Gasblasen auch deren Zerfall in kleinere Bläschen und der direkte Einzug dispersen Gases eine wichtige Rolle. Ziel ist es, einen solchen eintauchenden Flüssigkeitsstrahl durch Simulation mit verschiedenen räumlichen Gitterauflösungenzuverlässig vorherzusagen.

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Drallabscheider

Feste oder flüssige Partikel werden in der Regel mit Hilfe von Zyklonabscheidern aus der Trägerflüssigkeit entfernt. Sind disperse Blasen vorhanden, können diese aufgrund von Zentrifugalkräften einen kontinuierlichen gasförmigen Wirbelkern bilden. Der numerische Modellansatz muss in der Lage sein, diesen Übergang von einer dispersen zu einer kontinuierlichen Repräsentation abzubilden. Dies sollte jedoch nur dann geschehen, wenn das Gitter fein genug ist, um den kontinuierlichen Kern aufzulösen. Andernfalls wird der Gaskern dispers approximiert. Die Methode kann daher sowohl auf groben als auch auf feinen Gittern effektiv eingesetzt werden, wobei das gegebene Gitter bestmöglich genutzt wird.

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Destillationskolonnen

In der verarbeitenden Industrie ist die Destillation ist ein sehr häufig anzutreffender physikalischer Prozess, der zugleich einen sehr hohen Energiebedarf hat. Daher besteht viel Optimierungspotenzial in der Effizienz der technischen Anlagen. Destillationskolonnen werden kontinuierlich betrieben und bestehen häufig aus mehreren Böden, durch die von unten Gas in eine fließende Flüssigkeit eingespeist wird. Ziel ist es, solche Vorgänge mit sehr unterschiedlichen räumlichen Auflösungen zu simulieren.

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Modellierung turbulenter stratifizierter Gas-Flüssigkeits-Strömungen

Hierbei steht die Verbesserung der Modellierung von industriell relevanten turbulenten Zweiphasenströmungen mit Hilfe des Zwei-Fluid-Modells (Euler-Euler) im Mittelpunkt. Die aktuellen Arbeiten konzentrieren sich auf die Implementierung und die Validierung von Modellen für turbulente stratifizierte Strömungen. Die Verbesserungen beinhalten die Kombination aus aufgelösten und unter-aufgelösten Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen, die Modellierung der Turbulenz in der Nähe der Grenzfläche sowie die Modellierung des Wärme- und Stofftransports.

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Publikationen

Meller, R., Tekavčič, M., Krull B., and Schlegel, F. (2023). Momentum exchange modeling for coarsely resolved interfaces in a multifield two‐fluid model. International Journal for Numerical Methods in Fluids, in press, 1‐25. 10.1002/fld.5215.

Wiedemann, P., Meller, R., Schubert, M., and Hampel, U. (2023). 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. 10.1016/j.cherd.2023.04.016.

Yin, J., Zhang, T., Krull, B., Meller, R., Schlegel, F., Lucas, D., Wang, D. and Liao, Y. (2023). A CFD approach for the flow regime transition in a vane-type gas-liquid separator. International Journal of Multiphase Flow, 159, 104320. 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2022.104320.

Schlegel, F., Meller, R., Krull, B., Lehnigk, R., and Tekavčič, M. (2022). OpenFOAM-Hybrid - A Morphology Adaptive Multifield Two-Fluid Model. Nuclear Science and Engineering, 1-14. 10.1080/00295639.2022.2120316.

Meller, R., Schlegel, F., and Klein, M. (2022). 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(3), 895-922. 10.1007/s10494-021-00293-8.

Meller, R., Schlegel, F., and Lucas, D. (2021). Basic verification of a numerical framework applied to a morphology adaptive multifield two‐fluid model considering bubble motions. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 93(3), 748-773. 10.1002/fld.4907.

Tekavčič, M., Meller, R., and Schlegel, F. (2021). Validation of a morphology adaptive multi-field two-fluid model considering counter-current stratified flow with interfacial turbulence damping. Nuclear Engineering and Design, 379, 111223. 10.1016/j.nucengdes.2021.111223.