Theorie und Numerik zum Fließverhalten einer Fluid-Granulat-Mischung.
Geotechnics, Hydraulic Engineering
Final Report Abstract
Es wurde ein binäres Mischungsmodell für für das makroskopische Strömungsverhalten von Granulat-Fluid Mischungen in einer thermodynamisch konsistenten Form entwickelt. Das Strömungsverhalten und das Sedimentationsverhalten des hybriden Mischungsmodells wurde numerisch mittels eines entwickelten diskontinuierlichen Galerkin-Verfahrens untersucht. Die Behandlung von akustischen Wellen, die z B. beim Austritt über die Ränder des Rechengebiets auftreten, werden mittels spezieller offener Randbedingungen behandelt. Die Funktion und Umsetzung der implementierten Numerik wird mittels Standard CFD-Benchmarks der numerischen Fluiddynamik verifiziert. Schließlich werden Simulationsergebnisse eines Sedimentationsprozesses gezeigt. Die Resultate für stationäre Sedimentation sind in sehr guter Übereinstimmung mit analytischen Lösungen. Des Weiteren werden zu Beginn der numerischen Simulationen aber auch der hochauflösenden experimentellen Untersuchungen dynamische Effekte beobachtet, die der Kompressibilität der Fluidphase zuzuschreiben sind und über die in der Literatur bisher nicht berichtet wurde. Die wissenschaftlichen Fortschritte lassen sich in den drei Punkten zusammenfassen: • Für die makroskopische Modellierung von dichten Suspensionen im Rahmen von Mischungsansätzen konnten verschiedene Modelle hergeleitet werden. Aus Modellierungssicht konnte gezeigt werden, das hybride Modellierungsansätze die experimentell beobachteten Phänomene auf verschiedenen Zeitskalen seht gut wiedergeben können und aus konstitutiver Sicht einfacher zu beschreiben sind. • Im Rahmen der entwickelten dG-Verfahren wurden hybride Modelle in 1-D und 2-D Randwertproblemen getestet. Im direkten Vergleich mit FVM bzw. FEM Verfahren sind dG-basierte Verfahren in der von uns getesteten Umsetzung teurer aber flexibler. • Hochauflösende Modellsiloexperimente haben eine tiefe Einsicht in die Siloausflußdynamik gegeben. Es hat sich gezeigt, dass die charakteristischen Zeitskalen, die während des Ausflußvorgangs beobachtet werden können mit den typischen Zustandsänderungen der Mischung (Beginn der Fluidisierung) übereinstimmen. Im Förderungszeitraum bzw. in der sich anschließenden Abschlußperiode wurden die inhärenten Zeitskalen des Siloausflußexperiments nicht nur numerisch, sondern darüber hinaus auch experimentell untersucht. Es konnte hierbei gezeigt werden, dass unterschiedliche Phänomene auf verschiedenen Zeitskalen für die Charakterisierung des Ausflußphänomens relevant sind. Neben den interessanten physikalischen Prozessen, die auch in Zukunft untersucht werden sollen, hat dies aber auch direkte Auswirkungen auf die verwendeten numerischen Verfahren. Wenn man nämlich diese Zeitskalen auch in numerischen Verfahren abbilden möchte, dann ist z. B. für die Abbildung von (akustischen) Kompressionswellen eine vollständig kompressible bzw. hybride Mischungsformulierung notwendig. Dies entspricht nicht unbedingt den gängigen Modellierungsansätzen (für Suspensionen) in der CFD. Erfolgsberichte in den Medien Die Ergebnisse des Projektes wurden auf verschiedenen Fachkonferenzen, aber auch Ausstellungen und akademischen und schulischen Weiterbildungsveranstaltungen (Tag der Wissenschaft, Research School Ruhr-Universität Bochum) präsentiert. Infolge des großen Interesses wurde der Projektbearbeiter (Timo Reisner) als Nachwuchswissenschaftler aufgefordert, das Problem in dem (polulärwissenschaftlichen) Wissenschaftsmagazin „rubin“ dem breiteren Publikum darzulegen, vgl. http://rubin.rub.de/de/wenn-der-boden-ins-fliessen-geraet
Publications
- Investigation of sediment transport at the interface of a porous and a free flow domain, Proc. Appl. Math. Mech., 12(1), 529–530, 2012
Reisner, T., Steeb, H., Renner, J.
(See online at https://doi.org/10.1002/pamm.201210253) - Transition of effective hydraulic properties from low to high Reynolds number flow in porous media, Geophys. Res. Lett., 41, 4920–4928, 2014
Sivanesapillai, R, Steeb, H., Hartmeier, A.
(See online at https://doi.org/10.1002/2014GL060232) - Fluid compressibility in a solid-fluid mixture flow: Experiments, modeling and numerical application to batch sedimentation, Dissertation, Ruhr-Universität Bochum, 2015
Reisner, T
- Modeling of Fluid Transport in Geothermal Research, in Handbook of Geomathematics, Freeden, W., Nashed, W.Z., Sonar, T. (Eds.), Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 1443–1500, 2015
Renner, J., Steeb, H.
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-642-54551-1_81)
