Feinstrukturmodellierung und effiziente Finite-Elemente-Simulationen von Fasersuspensionen

• Antragsteller: Professor Dr. Dmitri Kuzmin; Professor Dr. Stefan Turek
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 251122961

Ziel des Projekts ist die Entwicklung von mehrskaligen Strömungsmodellen zur Simulation von Fasersuspensionen mit Anwendungen in der Papierherstellung und beim Recycling. Die Transportgleichung für den Orientierungstensor 2. Stufe wird mit einem neuartigen, auf einer Dekonvolutionstechnik basierenden Modellierungsansatz für den Orientierungstensor 4. Stufe behandelt. Zur Feinstrukturmodellierung wird auf eine Rekonstruktion der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion für die Faserorientierung unter Verwendung numerischer Methoden für regularisierte inverse Probleme zurückgegriffen. Um unphysikalische Orientierungszustände auszuschließen und diskrete Maximumprinzipien zu erfüllen, werden problemangepasste Limiter-Techniken in die Finite-Elemente-Diskretisierung integriert. Im wandnahen Bereich soll die Faserbewegung im Rahmen eines adaptiven Lagrange'schen Modells simuliert werden. Die Kopplung mit dem Euler'schen Modell für die Hauptströmung erfolgt durch Flussrandbedingungen an der Grenze der beiden Teilgebiete. Die Definition der numerischen Flüsse für die Impulsgleichung basiert auf einer Analogie zu discontinuous Galerkin Methoden. Die Randbedingungen für die Einzelfasersimulation ergeben sich aus dem lokalen Orientierungszustand und dem Volumenanteil der dispersen Phase. Eine Aufgabe von besonderer Bedeutung ist die Entwicklung von effizienten iterativen Lösern für das gekoppelte System aufbauend auf dem Softwarepaket FEATFLOW und seinen Erweiterungen für disperse Zweiphasenströmungen. Jede Komponente der mehrskaligen Gebietszerlegungsmethode soll anhand von numerischen Studien für repräsentative Benchmark-Probleme bzw. durch einen Vergleich mit experimentellen Daten des Industriepartners Voith Paper GmbH validiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen