Phasenauflösende numerische Simulation von Suspensionen

Problemstellung

Die Zugabe von Partikeln zu Flüssigkeiten verändert deren physikalische Eigenschaften, wie z.B. die effektive Dichte, Viskosität und Wärmeleitfähigkeit.

Basisfluide wie Wasser oder Öle besitzen in der Regel newtonsche Eigenschaften, d.h. die Scherspannung ist proportional zur Scherrate, während Suspensionen ein wesentlich komplexeres rheologisches Verhalten zeigen.

Derzeit werden die effektive Viskosität und Wärmeleit-fähigkeit von Suspension vorzugsweise messtechnisch bestimmt. Numerische Simulationen sind diesbezüglich mit größeren Unsicherheiten behaftet.

Das Ziel des Projektes ist es, mit Hilfe neuartiger numerischer Methoden die effektiven Stoffwerte exakt zu bestimmen. Hiermit eröffnetet sich ein weites Anwendungsspektrum hinsichtlich der Analyse und Optimierung von Suspensionen.

Lösungsansatz

Mit Hilfe von speziellen numerischen Verfahren wird die Partikelgeometrie im bewegten Fluid räumlich aufgelöst. Ein etabliertes Verfahren zur Berechnung vieler beweglicher Partikel in einem strömenden Fluid ist die Immersed-Boundary-Methode.

Arbeitsinhalte

• Implementierung einer Immersed-Boundary-Methode für bewegliche Partikel
• Validierungsrechnungen für feststehende Einzelpartikel in laminarer Strömung
• Realisierung scherperiodischer Randbedingungen
• Simulationen zur effektiven Viskosität und Wärmeleitfähigkeit von Suspensionen
• Untersuchung mono- und polydisperser Gemische
• Erstellung von Regime-Karten auf Basis der Simulationsdaten