Ein numerisches Model für den translatorischen und rotatorischen Impulstransfer von kleinen nicht-sphärischen starren Partikeln in fluid-dominierten Zweiphasenströmungen

Ein numerisches Model für den translatorischen und rotatorischen Impulstransfer von kleinen nicht-sphärischen starren Partikeln in fluid-dominierten Zweiphasenströmungen

(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

Titel des Gesamtprojektes:
Projektleitung: Paul Steinmann
Projektbeteiligte:
Projektstart: 1. Dezember 2014
Projektende: 31. Januar 2020
Akronym:
Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
URL:

Abstract

Das übergeordnete Ziel des beantragten Mercator Vorhabens ist die Erstellung eines numerischen Modells für den translatorischen und rotatorischen Impulstransfer von kleinen nicht-sphärischen starren Partikeln in fluid-dominierten Zweiphasenströmungen. Dazu werden drei Teilziel verfolgt:Das erste Teilziel besteht in der Entwicklung eines numerischen Models für die Partikel-Fluid-Interaktion. Dieses soll einerseits insbesondere die translatorischen und rotatorischen Effekte in der Fluidströmung berücksichtigen und andererseits einen besonderen Fokus auf die resultierende rotatorische Partikelbewegung durch eine hochgenau Bestimmung der Partikelorientierung und -winkelgeschwindigkeit legen. Hierzu sind die Erstellung eines verbesserten Lagrangeschen Partikelverfolgungsalgorithmus zur Verfolgung von nicht-sphärischen Partikeln in einem mit der Geschwindigkeits-Wirbel-Formulierung aufgelösten Strömungsfeld und die Entwicklung einer Zweiwegekopplung im Rahmen eines BEM-Zugangs, der auf einem verbessertem Quellverteilungsmodel in der fluiden Phase basiert, geplant.Das zweite Teilziel besteht in der Berücksichtigung von Kraft- und Momentenmodellen für nicht-spärische Partikel zur Erfassung des Impulsaustausches zwischen Partikeln und Strömung. Hierbei wird ein besondererFokus auf generische ellipsoide Partikelformen gelegt. Im Rahmen der beabsichtigten Starrkörpermodellierung für die Partikel wird begleitend ein Partikelpräprozessor entwickelt, um die Trägheitskennwerte beliebiger Partikel bereitzustellen.Das dritte Teilziel besteht in der Entwicklung schneller paralleler Algorithmen um so hochgenaue und schnelle Berechnungen insbesondere des Wirbelanteils der Strömung mit dem zuvor etablierten BEM-Zugang einerseits und eine effiziente Lösung der die Partikelbewegung beschreibenden differentialalgebraischen Gleichungen andererseits zu ermöglichenDer entwickelte Gesamtalgorithmus wird schließlich durch Vergleich mit unabhängigen numerischen Ergebnissen validiert auf den experimentell verifizierten Testfall einer Schlammflockensedimentierung angewandt.

Publikationen

• Cui Y., Ravnik J., Verhnjak O., Hribersek M., Steinmann P.:
  A novel model for the lift force acting on a prolate spheroidal particle in arbitrary non-uniform flow. Part II. Lift force taking into account the non-streamwise flow shear
  In: International Journal of Multiphase Flow 111 (2019), S. 232-240
  ISSN: 0301-9322
  DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2018.12.003
• Cui Y., Ravnik J., Hribersek M., Steinmann P.:
  On constitutive models for the momentum transfer to particles in fluid-dominated two-phase flows
  Springer Verlag, 2018
  (Advanced Structured Materials, Bd.80)
  DOI: 10.1007/978-3-319-70563-7_1
• Cui Y., Ravnik J., Hribersek M., Steinmann P.:
  A novel model for the lift force acting on a prolate spheroidal particle in an arbitrary non-uniform flow. Part I. Lift force due to the streamwise flow shear
  In: International Journal of Multiphase Flow 104 (2018), S. 103-112
  ISSN: 0301-9322
  DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2018.03.007
• Cui Y., Ravnik J., Steinmann P., Hribersek M.:
  Settling characteristics of nonspherical porous sludge flocs with nonhomogeneous mass distribution
  In: Water Research 158 (2019), S. 159-170
  ISSN: 0043-1354
  DOI: 10.1016/j.watres.2019.04.017