Many fluid flow processes in nature and technology are characterized by the presence
and coexistence of two ore more phases. These two- or multiphase flows are furthermore
characterized by a greater complexity of possible flow phenomena and phase interactions
then in single phase flows and therefore the numerical simulation of these multiphase
flows is usually demanding a much higher numerical effort. The presented work
summarizes the research and development work of the author and his research group on
"Numerical Methods for Multiphase Flows" at the University of Technology, Chemnitz over the
last years. This work was focussed on the development and application of numerical
approaches for the prediction of disperse fluid-particle flows in the field of
fluid mechanics and process technology.
A main part of the work presented here is concerned with the modelling of different
physical phenomena in fluid-particle flows under the paradigm of the Lagrangian treatment
of the particle motion in the fluid. The Eulerian-Lagrangian approach has proved to be an
especially well suited numerical approach for the simulation of disperse multiphase flows.
On the other hand its application requires a large amount of (parallel) computational power
and other computational ressources. The models described in this work give a mathematical
description of the relevant forces and momentum acting on a single spherical particle in
the fluid flow field, the particle-wall interaction and the particle erosion to the wall.
Further models has been derived in order to take into account the influence of
particle-particle collisions on the particle motion as well as the interaction of the
fluid flow turbulence with the particle motion. For all these models the state-of-the-art
from literature is comprehensively discussed.
The main field of interest of the work presented here is in the area of development,
implementation, investigation and comparative evaluation of parallelization
methods for the Eulerian-Lagrangian approach for the simulation of disperse multiphase
flows. Most of the priorly existing work of other authors is based on shared-memory
approaches, quasi-serial or static domain decomposition approaches. These parallelization
methods are mostly limited in theire applicability and scalability to parallel computer
architectures with a limited degree of parallelism (a few number of very powerfull compute
nodes) and to more or less homogeneous multiphase flows with uniform particle concentration
distribution and minor complexity of phase interactions. This work now presents a novel
parallelization method developed by the author, realizing a dynamic load balancing
for the Lagrangian approach (DDD - Dynamic Domain Decomposition) and therefore leading
to a substantial decrease in total computation time necessary for multiphase flow
computations with the Eulerian-Lagrangian approach.
Finally, the developed and entirely parallelized Eulerian-Lagrangian approach MISTRAL/PartFlow-3D
offers the opportunity of efficient investigation of disperse multiphase flows with
higher concentrations of the disperse phase and the resulting strong phase interaction
phenomena (four-way coupling). / Viele der in Natur und Technik ablaufenden Strömungsvorgänge sind durch die
Koexistenz zweier oder mehrerer Phasen gekennzeichnet. Diese sogenannten Zwei- oder
Mehrphasensysteme zeichnen sich durch ein hohes Maß an Komplexität aus und
erfordern oft einen sehr hohen rechentechnischen Aufwand zu deren numerischer Simulation.
Die vorliegende Arbeit faßt langjährige Forschungs- und Entwicklungsarbeiten
des Autors und seiner Forschungsgruppe "Numerische Methoden für Mehrphasenströmungen"
an der TU Chemnitz zusammen, die sich mit der Entwicklung und Anwendung numerischer
Berechnungsverfahren für disperse Fluid-Partikel-Strömungen auf dem Gebiet
der Strömungs- und Verfahrenstechnik befassen.
Ein wesentlicher Teil der Arbeit befaßt sich mit der Modellierung unterschiedlicher
physikalischer Phänomene in Fluid-Partikel-Strömungen unter dem Paradigma der Lagrange'schen
Betrachtungsweise der Partikelbewegung. Das Euler-Lagrange-Verfahren hat sich als
besonders geeignetes Berechnungsverfahren für die numerische Simulation disperser
Mehrphasenströmungen erwiesen, stellt jedoch in seiner Anwendung auch höchste
Anforderungen an die Ressourcen der verwendeten (parallelen) Rechnerarchitekturen.
Die näher ausgeführten mathematisch-physikalischen Modelle liefern eine Beschreibung
der auf eine kugelförmige Einzelpartikel im Strömungsfeld wirkenden Kräfte
und Momente, der Partikel-Wand-Wechselwirkung und der Partikelerosion. Weitere Teilmodelle
dienen der Berücksichtigung von Partikel-Partikel-Stoßvorgängen und der
Wechselwirkung zwischen Fluidturbulenz und Partikelbewegung.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt im Weiteren in der Entwicklung, Untersuchung und vergleichenden
Bewertung von Parallelisierungsverfahren für das Euler-Lagrange-Verfahren zur Berechnung von
dispersen Mehrphasenströmungen. Zuvor von anderen Autoren entwickelte Parallelisierungsmethoden
für das Lagrange'sche Berechnungsverfahren basieren im Wesentlichen auf Shared-Memory-Ansätzen,
Quasi-Seriellen Verfahren oder statischer Gebietszerlegung (SDD) und sind somit in ihrer
Einsetzbarkeit und Skalierbarkeit auf Rechnerarchitekturen mit relativ geringer Parallelität
und auf weitgehend homogene Mehrphasenströmungen mit geringer Komplexität der Phasenwechselwirkungen
beschränkt. In dieser Arbeit wird eine vom Autor entwickelte, neuartige Parallelisierungsmethode
vorgestellt, die eine dynamische Lastverteilung für das Lagrange-Verfahren ermöglicht (DDD - Dynamic
Domain Decomposition) und mit deren Hilfe eine deutliche Reduzierung der Gesamtausführungszeiten
einer Mehrphasenströmungsberechnung mit dem Euler-Lagrange-Verfahren möglich ist.
Im Ergebnis steht mit dem vom Autor und seiner Forschungsgruppe entwickelten vollständig parallelisierten
Euler-Lagrange-Verfahren MISTRAL/PartFlow-3D ein numerisches Berechnungsverfahren zur Verfügung,
mit dem disperse Mehrphasenströmungen mit höheren Konzentrationen der dispersen Phase und
daraus resultierenden starken Phasenwechselwirkungen (Vier-Wege-Kopplung) effektiv untersucht
werden können.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:17881 |
| Date | 21 June 2002 |
| Creators | Frank, Thomas |
| Publisher | Technische Universität Chemnitz |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:book, info:eu-repo/semantics/book, doc-type:Text |
| Source | Shaker Verlag, Aachen, Juli 2002; ISBN: 3-8322-0532-2 |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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