Entwicklung und Validierung eines hybriden Gitter-/Partikelverfahrens für turbulente Strömungen unterstützt durch Hochleistungsberechnungen mit OpenFOAM

Projekt-ID: CFD

Einleitung

Das Hauptziel des vorliegenden Projekts ist die Weiterentwicklung und Validierung einer neuen CFD-Methode (Computational Fluid Dynamics), die eine Kombination aus gitterfreien (Partikel) und gitterbasierten Techniken verwendet. Eine grundlegende Annahme dieses neuen Ansatzes ist die Zerlegung jeder physikalischen Größe in einen gitterbasierten (großskaligen) und einen feinskaligen Teil, wobei die großskaligen Teile auf dem Gitter aufgelöst und die feinskaligen Teile durch Partikel dargestellt werden. Die Dynamik der großen und feinen Skalen wird aus zwei gekoppelten Transportgleichungen berechnet, von denen eine auf dem Gitter gelöst wird, während die zweite die Lagrangesche gitterfreie Vortex-Partikel-Methode (VPM) verwendet.

Anwendungsbereiche:
Diese Probleme umfassen externe Strömungsprobleme, z.B. Strömungen um Fahrzeuge wie Schiffe, Autos, Lastwagen oder Flugzeuge mit einem starken Bezug zu Energie (Energieeinsparung) und Mobilität. Insbesondere wird die neue hybride Methode für die Vorhersage der Effizienz und den Entwurf neuer energiesparender Vorrichtungen (ESV) für Schiffe im Modell- und Realmaßstab eingesetzt. Mit ESV lässt sich die abgegebene Leistung um bis zu zehn Prozent reduzieren.

Projektbeschreibung

Die Partikelmethode eignet sich für die Modellierung von feinen und schnellen Strömungsstrukturen, wohingegen die gitterbasierten Techniken starke Vorteile bei der Modellierung großräumiger Bewegungen. Es wird erwartet, dass sie die Genauigkeit von Simulationen turbulenter Strömungen einschließlich der Auflösung feiner Bewegungen zu erhöhen, so dass sie in einem breiten Spektrum von technischen Problemen eingesetzt werden kann. Diese Probleme umfassen externe Strömungsprobleme, z. B. Strömungen um Fahrzeuge wie Schiffe, Autos, Lastwagen oder Flugzeuge mit einem starken Bezug zu Energie (Energieeinsparung) und Mobilität. Insbesondere wird die neue Hybridmethode für die Vorhersage der Effizienz und den Entwurf neuer Energiesparvorrichtungen (ESD) für Modell- und Schiffe im realen Maßstab. Mit ESD lässt sich die abgegebene Leistung um bis zu zehn Prozent reduzieren. Die für ihre für seine effizienten parallelen Berechnungen bekannte Open-Source-Software OpenFOAM wird eingesetzt, um die Entwicklung der Methode vielseitig zu gestalten und die Wirkung der Ergebnisse auf eine große Ingenieurgemeinschaft zu erhöhen eine große Ingenieurgemeinschaft zu erreichen, die auf die ständig steigende parallele Effizienz der Berechnungen und die ständig zunehmenden Supercomputing-Leistung angewiesen ist. Die Entwicklung der Methode erfordert einen starken Hintergrund in Mathematik, parallelen Berechnungen und Software-Engineering. Die geplanten Aktivitäten erfordern High Performance Computing (HPC) von mindestens Tier-2-Fähigkeiten und - wegen der Anwendung von DNS-Zeitsequenzen - intensive Datenverarbeitung und hohe Speicheranforderungen. Das Forschungstandem ergänzt die spezifische Expertise in der Nutzung von Wirbelteilchenmethoden [1,2,3], In-situ-Tracking von parallelen Berechnungen mit einer großen Anzahl von Lagrangeschen Partikeln in OpenFOAM [3,4], der effizienten Parallelisierung komplexer Modelle für die Navier-Stokes-Gleichungen [5] und das vielseitige Postprocessing großer Mengen von Simulationsdaten [6,7].

Die vorgeschlagene hybride Euler-Lagrangesche Methode ist im Prinzip eine universelle Methode zur Modellierung turbulenter Strömungen. Sie wurde bereits erfolgreich angewandt und hat ihre Effizienz im Fall von einfachen freien Scherströmungen abseits von starren Grenzen [1,3,4]. In der vorliegenden Arbeit soll die Methode erweitert werden auf komplexere Strahlfälle (z.B. zusammengesetzte koaxiale Strahlen, Strahlen mit starkem Drall, Strahlen in Querströmung) und auf wandbegrenzte Strömungen (z. B. Kanalströmungen, Strömungen mit Abtrennung/Wiederanhaftung und Strömungen mit einer plötzlicher Expansion/Kontraktion). Um die Leistungsfähigkeit der Methode zu beurteilen, ist eine Überprüfung mit rechenintensiven Referenzmethoden wie der Direkten Numerischen Simulation (DNS) [6], die alle Zeit- und Raumskalen auf sehr feinen Gittern auflöst räumlichen Skalen auf sehr feinen Gittern auflöst, ist ein wichtiger Bestandteil der vorgeschlagenen Forschung. Der Arbeitsplan umfasst die entsprechende Datenextraktion und die Bewertung einer großen Anzahl von Turbulenzparametern für jede der modellierten Anwendungen. Ein wesentlicher Bestandteil jedes nicht-stationären Modells für turbulente Strömungen, wie z.B. DNS, ist die Erzeugung von kohärenten und gut kontrollierten zeitabhängigen Daten an den Anströmungsgrenzen der Domäne. Die effiziente Parallelisierung dieser Daten stellt prinzipiell eine Herausforderung für sich dar. Die eulerisch-lagrangesche Natur des der vorliegenden Methode überwindet diese Schwierigkeiten auf natürliche Weise durch die Verwendung lokaler Daten aus benachbarten Kontrollvolumina und benachbarter Wirbelteilchen, um die vorgeschriebenen turbulenten Längenskalen und Frequenzspektren in einem statistischen Sinne zu reproduzieren. Längenskalen und Frequenzspektren der Anströmsignale zu reproduzieren.

Literaturangaben

[1] Kornev, N., 2018, ‘Hybrid method based on embedded coupled simulation of vortex particles in grid based solution’, Computational Particle Mechanics 5, 269–283.

[2] Kornev, N., Denev, J., Samarbakhsh, S., 2020, ‘Theoretical background of the hybrid VπLES method for flows with variable transport properties’, Fluids 5, DOI: 10.3390/fluids5020045.

[3] Kornev, N., Samarbakhshl, S., 2019, ‘Large Eddy Simulation with direct resolution of subgrid motion using a grid free vortex particle method’, International Journal of Heat and Fluid Flow 75, 86–102.

[4] Samarbakhsh, S., Kornev, N., 2019, ‘Simulation of the free jet using the vortex particle intensified LES (VπLES)’, International Journal of Heat and Fluid Flow 80, DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2019.108489.

[5] Kasper R., Turnow J., Kornev N., 2019, ‘Multiphase Eulerian-Lagrangian LES of particulate fouling on structured heat transfer surfaces’, International Journal of Heat and Fluid Flow, 79, 108462. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2019.108462.

[6] Schießl R., J.A. Denev, 2020, ‘DNS-studies on flame front markersfor turbulent premixed combustion’, Combustion Theory and Modelling, 24:6, 983-1001,  https://doi.org/10.1080/13647830.2020.1800102

[7] Zirwes T., Zhang F., Wang Y., Habisreuther P., Denev J.A., Chen Z., Bockhorn H., Trimis D., 2020, ‘In-situ Flame Particle Tracking Based on Barycentric Coordinates for Studying Local Flame Dynamics in Pulsating Bunsen Flames’, in Proceedings of the Combustion Institute, vol. 38, Elsevier, https://doi.org/10.1016/j.proci.2007.033