Investigation of the settling behavior of arbitrarily shaped particles in diluted and concentrated suspensions
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes wurde nach ersten Versuche mit einer Implementierung der Immersed-Boundary Methode (IB) in OpenFOAM die neu entwickelte Homogenised Lattice Boltzmann Method (HLBM), implementiert in der Open-Source Bibliothek OpenLB verwendet. Dabei handelt es sich um eine direkte numerische Simulationsmethode (DNS) für beliebig geformte Partikel, welche die Objekte als bewegtes poröses Medium betrachtet und dabei nicht an Limitierungen hinsichtlich der Form gebunden ist. Während des Vorhabens wurde ein Interface erstellt, welches in der Lage ist automatisch Partikel-Geometrien in Form von STL-Dateien, welche aus CT-Scans generiert werden können, zu verarbeiten und in die Simulation zu integrieren. Die Methode sowie das erstellte Interface wurden in verschiedenen Simulationen wie zum Beispiel der Umströmung eines Zylinders oder der Sedimentation einer einzelnen Kugel validiert und geprüft. Weitere Untersuchungen wurden mit Daten aus CT-Scans von Kalk-Partikel durchgeführt. So wurden Unterschiede in der mittleren Sedimentationsgeschwindigkeit zwischen den Kalk-Partikel und Kugeln mit identischem Volumen und Dichte in Mehrpartikel-Systemen ermittelt. Letztere wiesen eine um ca. 40% höhere Geschwindigkeit auf. Die einfache Parallelisierbarkeit der Lattice Boltzmann Methode sowie der DNS Ansatz für die Partikel erlauben die Simulation großer Gebiete und damit einer großen Anzahl an Partikel. Dies wird auch begünstigt durch eine während den Untersuchungen entdeckte intrinsische Kollision-Mechanik, welche über den lokal in jedem Knoten des Gitters berechneten Impulsaustusch wirkt. Weitere Simulationen wurden mit ca. 2000 Kalk-Partikeln durchgeführt, wobei jedes Partikel aus 432 Zellen bestand. Zusätzlich wurden erste Voruntersuchungen zur weiteren Verwendung der ermittelten Parameter (Widerstandsbeiwert, mittlere Sedimentationsgeschwindigkeit, …) in Simulationen in technischen Maßstab durchgeführt, wobei die Partikel lediglich durch eine Konzentration betrachtet werden, jedoch ebenfalls Formeffekte berücksichtigt werden sollen. Die Methodik wird in zukünftige Releases der OpenLB Bibliothek zusammen mit einfachen Anwendungsfällen integriert und damit zugänglich gemacht.
Publications
- „Inertial dilute particulate fluid flow simulations with an Euler–Euler lattice Boltzmann method“, Journal of Computational Science, Vol. 17(2), pp. 438-445, 2016
R. Trunk, T. Henn, W. Dörfler, H. Nirschl, M.J. Krause
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jocs.2016.03.013) - “Particle flow simulations with homogenised lattice Boltzmann methods”, Particuology, Vol. 34, pp. 1-13, 2017
M.J. Krause, F. Klemens, T. Henn, R. Trunk, H. Nirschl
(See online at https://doi.org/10.1016/j.partic.2016.11.001) - “Towards the simulation of arbitrarily shaped 3D particles using a homogenised lattice Boltzmann method”, Computers and Fluids, Vol. 172, pp. 621-631, 2018
R. Trunk, J. Marquardt, G. Thäter, H. Nirschl, M.J. Krause
(See online at https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2018.02.027)
