Cluster für numerische Simulation komplexer Strömungen

• Subject Area: Process Engineering, Technical Chemistry
• Term: Funded in 2007
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 59655738

• Final Report Year: 2012

Final Report Abstract

Am Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungstechnik wurde durch Inbetriebnahme des Clusters die vorhandene Rechenleistung um Größenordnungen erweitert. Dadurch konnten insbesondere folgende Forschungsprojekte unterstützt werden: Der Lehrstuhl entwickelt seit Jahren Methoden der Direkten Numerischen Simulation (DNS), die für die Turbulenzforschung bis jetzt als bestmöglicher Ansatz gelten. Mit dem Cluster konnten insbesondere DNS-Rohdaten generiert werden, die zur Überprüfung und Verbesserung vereinfachter Turbulenzmodelle (RANS-Ansatz: Reynolds-Averaged Navier-Stokes) Verwendung fanden. Besonders intensiv werden am Lehrstuhl reaktive Strömungen mit DNS simuliert. Hierfür müssen auch die kinetischen Prozesse akkurat in der Simulation nachgebildet werden. Dies führt zu einer Vielzahl zusätzlicher Transportgleichungen, die gekoppelt mit den Navier-Stokes-Gleichungen gelöst werden müssen. Dank des Clusters wurde es endlich möglich, relevante Brennstoffe wie Methan anhand DNS zu simulieren. Damit konnten DNS-Simulationen für relevante Systeme durchgeführt werden. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt am Lehrstuhl ist die CFD-basierte Optimierung. Dank Integration einer Strömungssimulation in einer Optimierungsschleife ist es möglich, weitgehend automatisch die bestmögliche Konfiguration (Geometrie, Anströmung...) zu identifizieren. Dafür sind aber in der Regel hunderte von CFD-Simulationen (eine pro Konfiguration) erforderlich. Durch Parallelisierung der CFDRechnung und der Optimierung wurde es dank des Clusters möglich, bis jetzt unerreichbare Probleme zu lösen. Zum Beispiel wurde die Design-Geometrie einer Turbine mit mehr als 60 freien Parametern optimiert. Im chemischen Bereich konnten automatisch optimale Reaktionssysteme auf Basis ausführlicher Messdaten identifiziert und diskriminiert werden. Mehrphasenströmungen spielen in Forschung und Praxis eine wachsende Rolle. Dank des Clusters konnten durch eine Kopplung der Navier-Stokes-Gleichungen mit Momenten-Methoden (QMOM/DQMOM) unterschiedliche Zweiphasenströmungen hoher Komplexität simuliert werden, z.B. für die Simulation der Regenbildung in Wolken, der Rußproduktion in Flammen oder der Zellvermehrung in Rührreaktoren. Die Untersuchung der elementaren Wechselwirkung von Molekülen mit Festkörperoberflächen ist für das Verständnis einer Vielzahl von Grenzflächenphänomenen wie z. B. Haftreibung, Adhäsion oder Wachstumsprozesse an Oberflächen von grundlegender Bedeutung. Einer der Forschungsschwerpunkte am Lehrstuhl Physikalische Chemie ist die Untersuchung der Struktur und Dynamik von reinen und adsorbatbedeckten Isolatoroberflächen auf der atomaren Skala. Sowohl die Aufklärung der Bindungsverhältnisse als auch die Interpretation experimenteller Daten erfordern dabei die Entwicklung geeigneter Strukturmodelle mit Hilfe quantenchemischer Methoden wie Dichtefunktionaltheorie und Molekulardynamik-Simulation, die auf dem Rechencluster implementiert wurden. Für die (lOO)-Oberfläche des Alkalihalogenids Natriumfluorid (NaF) wurden Born-Oppenheimer- Molekulardynamik-Simulationen durchgeführt. Diese belegen in Übereinstimmung mit Elektronenbeugungsexperimenten das Vorliegen erhöhter anisotroper Schwingungsamplituden der Ionen an der Oberfläche. Anders als im Falle von NaCI(100) ergibt sich für NaF(IOO) nur ein sehr schwaches Oberflächen-Rumpling, d.h. eine Verschiebung der mittleren Positionen von Kationen/Anionen. Das System H2O/NaCl(100), das im Zusammenhang mit der Aerosolbildung über den Ozeanen von Bedeutung ist, ist aktuell Gegenstand intensiver Forschung. Sowohl der Mechanismus des elektroneninduzierten Übergangs der Wassermoleküle an der NaCl-Oberfläche von einer (1x1)- in eine c(4x2)-Phase als auch die damit verbundenen Adsorbatstrukturen sind bisher unbekannt und werden am Lehrstuhl derzeit u. a. quantenchemisch mit Hilfe von Dichtefunktionaltheorie untersucht. Die Abscheidung von organometallischen Komplex-Molekülen wie Ferrocen (C5H5)2Fe auf Isolatorsubstraten Ist potentiell von technologischem Interesse. Begleitend zu ersten experimentellen Untersuchungen des Wachstums von Ferrocen-Filmen auf der NaCl(100)-Oberfläche wird mit Hilfe von dispersion-corrected DFT auf dem Compute-Cluster die Wechselwirkung dieser Sandwich-Komplexe mit dem NaCl-Substrat untersucht. Erste Ergebnisse aus den Simulationsrechnungen deuten darauf hin, dass die Bindung isolierter Ferrocen-Moleküle an die inerte NaCI-Oberfläche unerwartet stark und vergleichbar mit der an Metallsubstraten wie Ag(IOO) ist. Am Adsorptionsplatz kommt es dabei zu erheblichen Verschiebungen der Ionen in den ersten beiden Lagen des Substrats.

Publications

• Comparison of various micromixing approaches for Computational Fluid Dynamics simulation of barium sulfate precipitation in tubular reactors. Industrial & Engineering Chemistry Research, 48. 2009, pp. 999-1007.
  Öncül, A.A., Janiga, G. and Thévenln, D.
  
• Direct Numerical Simulation of a realistic acoustic wave interacting with a premixed flame. Proceedings of the Combustion Institute, 32. 2009, pp. 1473-1480.
  Shalaby, H., Laverdant, A. and Thévenin, D.
  
• Numerische und experimentelle Untersuchung der Fließbedingungen in Wave-Bioreaktoren. Chemie Ingenieur Technik, 81(8), 2009, p. 1241.
  Öncül, A.A., Thövenin, D., Kalmbach, A., Genzel, Y. and Reichl, U.
  
• CFD-Modellierung der Zellkultivierung in Wave-Bioreaktoren. Chem. Ing. Tech. 82(9), (2010) 1512-1513.
  Öncül, A., Bordäs, R., Thévenin, D., Genzel, Y. and Reichl, U.
  
• Characterization of flow conditions in 2 L and 20 L wave bioreactors® using Computational Fluid Dynamics. Biotechnol. Prog. 26(1), (2010)101-111.
  Öncül, A.A., Kalmbach, A., Genzel, Y., Reich!, U. and Thévenin, D.
  
• Optimization of Savonius turbines using an obstacle shielding the returning blade. Renewable Energy, 35. 2010, 11, pp. 2618-2626.
  Mohamed, M.H., Janiga, G., Pap, E. and Thevenin, D.
  
• Simulation of interacting populations in inhomogeneous flows using reduced models, Ph.D. Thesis (Dissertation) Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungstechnik, Fakultät für Verfahrens und Systemtechnik, Univ. of Magdeburg "Otto von Guericke", (2010) 124 S.
  Öncül, A.
  
• Statistically significant results for the propagation ofa turbulent flame kernel using Direct Numerical Simulations. Flow, Turbulence and Combustation, 84, 3. 2010, pp. 357-367.
  Shalaby, H., Thevenin, D.
  
• Design optimization of Savonius and Welis turbines, Ph.D. Thesis (Dissertation), Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungstechnik, Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik, Univ. of Magdeburg "Otto von Guericke". 2011.
  Mohamed, M.H.
  
• Direct Numerical Simulations of the impact of high turbulence intensities and volume viscosity on premixed methane flames. Journal of Combustion, 2011 (2011) ID: 746719, 1-12.
  Fru, G., Janiga, G. and Thévenin, D.
  
• Flow optimization using Computational Fluid Dynamics. Habilitation Thesis, Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik, Univ. of Magdeburg "Otto von Guericke", (2011).
  Janiga, G.
  
• Impact of stents and flow diverters on hemodynamics in idealized aneurysm models. Journal of Biomechanical Engineering, 133(7), (2011) 071005/1-9.
  Seshadhri, S., Janiga, G., Beuing, 0., Skalej, M. and Thévenin, D.
  
• Impact of turbulence intensity and equivalence ratio on the burning rate of premixed methane-air flames. Energies 4(6), (2011) 878-893.
  Fru, G., Thévenin, D., Janiga, G.
  
• Improved soot prediction models for turbulent non-premixed ethylene/air flames. Proc. Combust. Inst. 33, (2011)559-567.
  Chittipotula, T., Janiga, G. and Thévenin, D.
  
• Multiobjective optimization ofthe airfoil shape of Wells turbine used for wave energy conversion. Energy, 36, 2011, 1, pp. 438-446.
  Mohamed, M.H., Janiga, G., Pap, E. and Thévenin, D.
  
• Optimal blade shape ofa modified Savonius turbine using an obstacle shielding the returning blade. Energy Conversion and Management, 52, 2011, 1, pp. 236-242.
  Mohamed, M.H., Janiga, G., ^ap, E. and Thévenin, D.
  
• Impact of volume viscosity on the structure of turbulent premixed flames in the Thin Reaction Zone regime. Flow Turbul. Combust., 88. 2012, 4
  Fru, G., Janiga, G. and Thévenin, D.
  
• Optimizing soot prediction models for turbulent non-premixed ethylene/air flames. Chem. Eng. Sci. 70, (2012) 67-76.
  Chittipotula, T., Janiga, G. and Thévenin, D.