Entwicklung eines Berechnungsverfahrens für den Strahlungstransport für Partikel-basierte Strömungssimulationen

• Antragsteller: Cihan Ates, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452913958

In den letzten Jahren ist das Interesse an gitterfreien Partikelmethoden gestiegen, da sie Vorteile bei Multiphysik-Problemen mit unregelmäßigen/komplexen Geometrien, freien Oberflächen, beweglichen Grenzflächen, deformierbaren Grenzen und/oder großen Inhomogenitäten bieten. Beispiele hierfür sind reaktive Mehrphasenströmungen, das Gießen und das Laserschweißen. Allerdings wurde der Strahlungstransport bisher nur in einer begrenzten Anzahl von Arbeiten untersucht. Typischerweise liegt deren Focus auf astrophysikalischen Problemen. Die dort entwickelten Methoden sind deshalb auf extrem große Längenskalen zugeschnitten. Sie können daher nicht auf Anwendungen im technischen Maßstab übertragen werden. Auch typische Standardmethoden zur Berechnung des Strahlungstransports in inhomogenen Medien sind nur beschränkt geeignet. Ihre Kompatibilität zu Strömungslösern ist stark eingeschränkt, und es besteht keine "beste Praxis" hinsichtlich der Lösungsstrategie insbesondere für Probleme der Multi-Physik. Ihre Anwendbarkeit zusammen mit Partikelmethoden ist stark beschränkt und weitgehend unerforscht.Die Schlüsselidee von Partikelmethoden ist, die Grundgleichungen mit Hilfe willkürlich verteilter "Partikel" zu lösen, ohne ein Gitter zu verwenden, das die Konnektivität beschreibt. Entscheidend hinsichtlich des Strahlungstransports ist, dass hochaufgelöste Strukturen in der Strömung nicht durch das Strahlungsmodell geglättet werden. Dies steht im Widerspruch zu den Eigenschaften von Partikelmethoden. Um den Informationsverlust durch den Austausch zwischen den Teilmodellen zu vermeiden, ist es deshalb vorteilhaft, den partikelbasierten Strömungslöser mit einem partikelbasierten Strahlungslöser zu koppeln, Die Forschungshypothese dieses Vorhaben ist, die Effizienz dieser Vorgehensweise zu demonstrieren. Dazu soll ein generischer partikelbasierter Strahlungslöser entwickelt werden, der für die Vorhersage komplexer Probleme effizient mit dem partikelbasierten Strömungslöser gekoppelt werden kann.Das Hauptziel des Projekts ist die Entwicklung und Validierung dieses neuen Modellierungsansatzes. Damit soll die Hypothese beleuchtet werden, dass die Vorhersage des Strahlungswärmeaustausches ohne Verlust an partikel-aufgelöster Information bei einer gekoppelten Lösung möglich ist. Diese Methodik bildet die Grundlage für eine effiziente und genaue Vorhersage komplexer Multi-Physik Phänomene wie der konjugierte Wärmeübergang. Gleichzeitig wird die Methode auch dazu dienen, eine wesentliche Herausforderung bei der Strahlungsmodellierung zu überwinden: Den Umgang mit komplexen Geometrien oder sich bewegenden Grenzen des Rechengebiets. Durch die gitterfreie Partikel-Methode wird es möglich werden, typische Probleme gitterbasierter Ansätze zu eliminieren. Um dies zu demonstrieren, liegt der Schwerpunkt des Vorhabens auf der numerischen Simulation von Mehrphasenströmungen und der Modellierung des Strahlungswärmeübergangs in Mehrphasensystemen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer; Dr.-Ing. Rainer Koch