Nachricht vom 15. Februar 2023
Anschauliche Demonstration: Ein morphologie-adaptives Simulationsmodell oder die Faszination vom Zusammenspiel von Luft und Wasser
Mehrphasige Strömungen spielen in vielen Prozessen der Chemie- und Verfahrenstechnik sowie in der Energieerzeugung eine wichtige Rolle. Deshalb versuchen Forschungsteams, ihr Verhalten zu durchdringen und genau vorhersagbar zu machen. Die heute zur Verfügung stehende Rechentechnik gibt ihnen dafür geeignete Werkzeuge an die Hand. Doch schon die detailgetreue Simulation von auf den ersten Blick trivial anmutenden Vorgängen, wie etwa einem Wasserstrahl, der auf ein gefülltes Wasserbecken trifft, machen schnell die Komplexität der Aufgabe deutlich.
Gerade dieses vermeintlich einfache Beispiel ist prototypisch für viele Situationen von technischer Relevanz, beispielsweise dem Befüllen von Flaschen oder von Reaktoren in der chemischen Industrie. Die strömungsmechanischen Vorgänge, die dabei eine Rolle spielen, sind 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.
Das Team von Dr. Fabian Schlegel vom Institut für Fluiddynamik am HZDR hat sich diesem Problem angenommen. Ziel war es, einen solchen eintauchenden Flüssigkeitsstrahl und die dadurch entstehenden Gasblasen in unterschiedlichsten Größen durch Simulation zuverlässig vorherzusagen.
Das Video zeigt exemplarisch anhand eines auf ein gefülltes Wasserbecken treffenden Wasserstrahls die Ergebnisse einer solchen numerischen Simulation mit einem morphologie-adaptiven Modellierungsansatz (MultiMorph-Modell) in OpenFOAM. OpenFOAM (Open Source Field Operation and Manipulation) ist ein quelloffenes Softwarepaket zur numerischen Simulation, dessen Schwerpunkt auf dem Lösen von Strömungsproblemen liegt. Das MultiMorph-Modell ist ein spezielles Morphologie-adaptives Zwei-Fluid-Modell, das zielgerichtet zur Simulation technischer Anwendungen und zur Beantwortung ingenieurtechnischer Fragestellungen am HZDR entwickelt wird. Es zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl aufgelöste als auch statistisch modellierte, kleine Grenzflächen betrachtet werden, um die Vorhersagekraft der Simulationsmethode bei gleichzeitig vertretbarem Einsatz von Rechenleistung zu erhöhen.
Dem Team geht es dabei um mehr als lediglich eine ästhetische Visualisierung von fließendem Wasser. Denn die Methode wird vordergründig für im Großmaßstab ablaufende technische Verfahren entwickelt, etwa die Destillation. In der chemischen Industrie ist sie ein sehr häufig anzutreffender physikalischer Prozess, der gerade aufgrund seines Energiehungers einen hohen Optimierungsbedarf hinsichtlich der Effizienz in sich birgt. Destillationskolonnen werden kontinuierlich betrieben und bestehen häufig aus mehreren Böden, durch die von unten Gas in eine fließende Flüssigkeit eingespeist wird. Ein Ziel des Teams ist es, solche Vorgänge mit sehr unterschiedlichen räumlichen Auflösungen zu simulieren.
A Morphology-adaptive Multifield Two-fluid Model
Weitere Informationen:
Dr. Fabian Schlegel
Institut für Fluiddynamik am HZDR
Tel.: +49 351 260 3467 | E-Mail: f.schlegel@hzdr.de
Medienkontakt:
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Abteilung Kommunikation und Medien am HZDR
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