Numerische Strömungssimulation

Ausgewählte Forschungsprojekte

 

ALBORZ: Ein effizienter Lattice-Boltzmann-Löser

Verantwortlich: Dr.-Ing. Seyed Ali Hosseini

ALBORZ ist ein robustes Lattice-Boltzmann-Werkzeug, das seit 2013 in der LSS-Gruppe entwickelt wird. Der Code wird erfolgreich für verschiedene Strömungsregime und -konfigurationen geprüft, z.B. laminare und turbulente partikelbeladene Strömungen, Verbrennung, poröse Medien, Wärmeübertragung, Kristallisation, medizinische Strömungen usw. Der Code wurde in C++ geschrieben und unter Verwendung der MPI parallelisiert. Beispiele für Validierungen und Anwendungen von ALBORZ für verschiedene Testfälle werden in Fachzeitschriften veröffentlicht und in vielen Konferenzen vorgestellt.

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Abbildung: Die linke Abbildung zeigt eine Suspension von sphärischen Partikeln in einer turbulenten Strömung mit einer Reynolds-Zahl von 5600, die durch die Strömungsgeschwindigkeit gefärbt wird (IJMF 96, 2017). Die rechte Abbildung zeigt die Temperatur-Iso-Oberflächen (300,15 K) einer turbulenten Strömung in einem beheizten quadratischen Hindernis-montierten Kanalfluss.

 

CFD-O: CFD-basierte Optimierung

Entwicklung einer neuen Software-Bibliothek (OPtimization Algorithms Library++)

Verantwortlich: Dr.-Ing. László Daróczy, apl. Prof. Dr. Gábor Janiga

Die Optimization Algorithms Library++ (oder kurz nur OPAL++) ist die neueste Optimierungs- und Parameterisierungssoftware des Lehrstuhls. OPAL++ ist vollständig portabel, objekt-orientiert, zwei-stufig parallelisiert mit MPI und kann durch eine benutzerfreundliche Skriptsprache gesteuert werden. OPAL++ wurde bereits in mehreren Projekten erfolgreich angewendet und hat schon mehr als 200.000 CFD-Rechnungen automatisch durchgeführt. Die Software bietet insbesondere Unterstützung für:

- mehrere Betriebssysteme (Mac OS X, Linux, Windows);
- die Kopplung mit vieler Software (PTC Creo, OpenFoam, Gambit, ANSYS-Fluent, StarCCM+, CFX, usw.);
- die Unterstützung bei der automatischen Gittergenerierung;
- die Optimierung auf heterogenen Systemen (z.B. Windows+Linux gekoppelt);
- SSH & SFTP Protokoll für Kommunikation, Synchronisierung zwischen Knoten;
- Ein- und Mehrzielfunktion-Optimierungsmethoden (OMOPSO, SPEA2, NSGAII, Firefly, FastGPA,
   Differential Evolution, Omni-Optimizer, usw.);
- Non-intrusive Polynomial Chaos Expansion für eine beliebige Verteilung (mit Orthogonalisierung);
- Design-Of-Experiment Methoden (Sobol, Hammersley, Near-Orthogonal Latin Hypercube, usw.);
- Diverse Surrogate Methoden (Radial Basis Function, Ordinary Kriging, Least Squares Fitting, usw.).

Abbildung: links: Kriging nach einer Optimierung, rechts: Pareto-front während der Optimierung

Abbildung: automatische Gittergenerierung mit Gambit

Siehe auch unser Buch: http://www.springer.com/de/book/9783540721529

CFD - DEM

Verantwortlich: Dr. Kristin Kerst

Das DEM-Modell (DEM: Discrete Element Method) ist eine vielversprechende Methode, zum Beispiel um die Interaktionen von festen Kristallen in kontinuierlichen Kristallisatoren zu beschreiben. Mit Computational Fluid Dynamics (CFD) gekoppelt, bietet es eine detaillierte Beschreibung des Fluidisierungsverhaltens der Kristallpartikel. Die Simulation erfolgt mit einer Open-Source Software, CFDEMcoupling (OpenFOAM - LIGGGHTS - Kopplung) und ist sehr rechenintensiv (7 h Rechenzeit auf 64 2,1 GHz Quad-Prozessoren für eine physikalische Sekunde und 200.000 Partikel). Begleitend zu den Simulationen stehen Experimente von der AG Seidel-Morgenstern am Max-Planck-Institut Magdeburg zur Verfügung. Die Forschung wird im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogrammes 1679 durchgeführt.

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Abbildung: CFD-DEM Simulation von fluidisierten Asparaginmonohydrat-Kristallen im Kristallisator; (a) - ohne aktivierte Ultraschallzerkleinerung; (b) - mit aktivierter Ultraschallzerkleinerung

Direkte Numerische Simulationen (DNS)

Verantwortlich: Dr.-Ing. Abouelmagd Abdelsamie, M.Sc. Cheng Chi

DINO ist die neueste DNS-Software des Lehrstuhls. DINO verwendet eine low-Mach Formulierung für die Simulation von turbulenten reaktiven Strömungen und Zweiphasenströmungen, mit folgenden Methoden:
- Effiziente Parallelisierung mit MPI;
- räumliche Diskretisierung durch Finite Differenzen sechster Ordnung;
- Explizite (vierte Ordnung), Semi-implizite (dritte Ordnung Runge-Kutta) oder implizite (Radau-5)
   zeitliche Integration.
- Unterschiedliche physikalische, thermische, kinetische Parameter und Transporteigenschaften werden mit
   Hilfe von Cantera und/oder Eglib berechnet.
- Zweiphasenströmungen werden dank einer Euler-Lagrange Methode für aufgelöste oder nicht aufgelöste
   Partikel berechnet.
- Komplexe Geometrien werden dank einer Immersed Boundary Methode (IBM) berücksichtigt.

Anwendungsbeispiele: Strahlflammen, Sprayverbrennung, dicht beladene Suspensionen, Transition, medizinische Strömungen...

Für die Auswertung stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung:
- On-the-fly Postprocessing für Analyse und Feature-Extraktion von Verbrennungs- und
   Strömungseigenschaften aus Direkter Numerischer Simulation;
- Klassische, dateibasierte Analyse großer Datenmengen (parallelisierte Matlab-library AnaFlame).

 

 

 

 

Animation: oben: Vollständig aufgelöste Partikel (blaue Kugel) in einer turbulenten Strömung (weiße Fläche zeigt die turbulente Enstrophie); unten: Iso-Fläche der Wirbelstärke (Taylor-Green-Wirbel)

Animation: Iso-Fläche der Mischungsanteile in turbulentem Jet (H2/Luft)

Forschungsprojekt RETERO: Reduktion von Tierversuchen zum Schädigungsrisiko bei Turbinenpassagen durch Einsatz von Roboterfischen, Strömungssimulationen und Vorhersagemodellen" (Förderkennzeichen 031L0152A)

Verantwortlich: M.Sc. Dennis Powalla

Das Ziel des RETERO-Projekts ist es, Fischversuche zur Evaluierung von Turbinen und anderen Abstiegskorridoren in Bezug auf das Schädigungsrisiko der passierenden Individuen zu minimieren. Um dies gewährleisten zu können, soll eine Ersatzmethode entwickelt werden.Die Methode wird realisiert unter zuhilfenahme von Experimenten, die von teil-autonomen Robotersystemen ergänzt werden, sowie von numerischen Simulationen, die durch Verhaltensmodelle eine Risikoabschätzung liefern sollen. Dem Institut kommen in dem Projekt zwei Hauptaufgaben zu.

Das erste ist, die Entwicklung eines Vorhersagemodells, dass die Reduzierung der Schädigungs- und Sterblichkeitsrate als Ziel hat. Das Model sollte die Bewegung eines Fishkörpers in einer dreidimensionalen hydrodynamsichen Strömung abbilden und zusätzlich mögliche Kontaktereignisse (z.B. mit Turbinenblättern) darstellen. Der derzeitige Ansatz folgt der Entwicklung eines Multi-Agenten-Systems, basierend auf Simulationsergebnissen und Beobachtungen mit Lebendfisch. Der zweite Teil unterstützt die Auslegung des fischähnlichen Robotersystems. Dabei werden die Kräfte berechnet, die auf einen sich bewegenden Fischkörper wirken, um erste Aussagen über die Dimensionierung einer Vortriebeinrichtung treffen zu können. Die Bewegung des Fischkörpers ist in der CFD-Umgebung mit dem Morphing Mesh Model umgesetzt. In dem Model verformen sich die Gitterpunkte des Netzes, entsprechend einer vordefinierten Körperbewegung, die aus Bewegungseigenschaften lebender Objekte abgeleitet ist.

FishMotion

 

Datenassimilation für Blutflusssimulationen

Verantwortlich: M.Sc. Franziska Gaidzik

Der Strömungszustand in intrakraniellen Arterien kann durch verschiedene Methoden beschrieben werden. Phasenkontrastmagnetresonanztomographie (PC-MRI) ist in der Lage 4D Flussinformationen (zeitlich aufgelöst in drei räumlichen Dimensionen) zu messen, aber ist in der zeitlichen und räumlichen Auflösung limitiert. Basierend auf der Gefäßgeometrie können alternativ numerische Strömungssimulationen (CFD) kleine Gefäße hoch aufgelöst darstellen und die Strömung berechnen. Diese Simulationen sind jedoch stark abhängig von den gewählten Einlass- und Randbedingungen. Die Datenassimilation (DA) ist in der Lage experimentelle (PC-MRI) und numerische (CFD) Datenquellen als Vorwissen zu kombinieren, um anschließend einen angepassten Strömungszustand mit verbesserter Genauigkeit zu bestimmen. Das Projekt zielt darauf ab einen passenden computergestützten Algorithmus zu mit Hilfe der DA zu entwickeln und somit medizinische relevante Strömungssituationen genauer zu beschreiben.

OverviewDA

Numerische Simulation eines im Gegenstrom betriebenen fest-flüssig Schneckenextraktors

Verantwortlich: M.Sc. Annemarie Lehr

Effizientere Verfahren zur Gewinnung von Artemisinin aus den Blättern der Artemisia annua Pflanze über einen Fest-Flüssig-Extraktionsprozess sind von wachsendem Interesse, da Artemisinin zunehmend in Malariamedikamenten eingesetzt wird. Ein am MPI Magdeburg entwickeltes, kontinuierlich betriebenes Gegenstromverfahren benötigt aufgrund des eingesetzen organischen Lösungsmittels Toluol strenge Sicherheitsvorkehrungen, wodurch experimentelle Versuche mit hohem Aufwand und Kosten verbunden sind. In diesem Projekt soll der betrachtete Extraktionsprozess aus einer Kopplung von Computational Fluid Dynamics (CFD) und klassischen Kompartmentmodellen dargestellt werden. Hierbei können die Vorteile beider Methoden genutzt und somit Aufwand und Kosten eingespart werden. Von entscheidener Bedeutung ist dabei die exakte Berechnung und Darstellung der festen und flüssigen Verweilzeit, da diese die Reaktionskinetiken im realen Prozess stark beeinflussen. Mit dem entwickelten Model soll der Prozess anschließend hinsichtlich der Ausbeute von Artemisinin optimiert werden.

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Abbildung: Phasenverteilung in einem Fest-Flüssig-Gegenstrom-Schneckenextraktionsprozess unter Verwendung von CFD-Simulationen

Fluid-Struktur-Interaktion

Verantwortlich: M.Sc. Samuel Voß

Die möglichst realistische Simulation von Aneurysmen ist nur möglich, wenn neben der strömungstechnischen auch die strukturmechanische Seite (Eigenschaften der Gefäßwand) berücksichtigt wird. Diese sehr komplexe Fluid-Struktur-Interaktion (kurz FSI) kann durch Kopplung der Navier-Stokes-Gleichungen (Fluid) und der Impulserhaltung (Struktur) realisiert werden. Unterschiedliche Methoden und Software-Tools werden dafür verwendet:
- Untersuchung der Interaktionsintensität durch Gegenüberstellung der Zweiwegkopplung mit Einwegkopplung, sowie Umsetzung ohne Kopplung
- Komplexe Geometriediskretisierung mittels Finiten Volumen und Finiten Elementen
- Simulative Ausführung a) komplett innerhalb von STAR-CCM+/CD-adapco oder b) durch Kopplung von STAR-CCM+ (Fluid) mit Abaqus FEA/SIMULIA (Struktur)
- Realisierung von expliziter als auch impliziter Kopplung.
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Abbildung: Stromlinien und Wandspannung in einem Aneurysma

Large-Eddy-Simulation

Verantwortlich: apl. Prof. Dr. Gábor Janiga

Die Large-Eddy Simulation wird in der Gruppe hauptsächlich für die Untersuchung der Transition bzw. für Strömungen mit niedriger Turbulenzintensität eingesetzt, zum Beispiel in einer Düse der Food & Drug Administration (FDA), ein idealisiertes medizinisches Gerät. Diese Rechnungen wurden mit Hilfe eines LES-Modells in ANSYS-Fluent berechnet. Die Rechnung dauerte 470 Stunden mit 32 Kernen.

Animation: Q-Kriterium einer Grobstruktursimulation für die FDA Düse

Filmbildung und -zerfall

Verantwortlich: Dr.-Ing. Thomas Hagemeier

Entwicklung numerischer Modelle zur Simulation von Filmbildung und -zerfall in praktischen Konfigurationen.

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Abbildung: errechnete Filmdicke beim Sprayaufprall auf einer vereinfachten A-Säulen-Geometrie

Entwicklung und Verbesserung spezifischer numerischer Methoden

Verantwortlich: Prof. Dr.-Ing. Dominique Thévenin

  • Reduzierung der Rechenzeiten für CFD mit chemischen Reaktionen anhand dynamischer Systemtheorie (attraktive Mannigfaltigkeiten, ILDM; flamelet-basierte, FPI Methoden).
  • Beschleunigung der CFD-Rechnungen: Verwendung von Parallelrechnern (Linux PC-Cluster), dynamische adaptive Gitter, verbesserte Konvergenz (Mehrgittermethoden).
  • Entwicklung spezieller Verfahren für die akkurate Beschreibung der Rand- und Startbedingungen.
  • Kopplung der CFD mit einer Beschreibung der Populationsdynamik für Anwendungen der Verfahrenstechnik

Animation: Beispiel für die dynamische Gitteranpassung während der Berechnung einer Flamme mit dem Programm UGC+. Die Konvergenz wird durch Verwendung von Mehrgittermethoden erheblich beschleunigt.

Letzte Änderung: 22.10.2020 - Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. habil. Dominique Thevenin