Thermal Lattice Boltzmann Methods for the Simulation of Turbulent Flows with Conjugate Heat Transfer – Application to Refrigerated Vehicles

In dieser Arbeit wird eine thermische Lattice-Boltzmann-Methode (TLBM) für die instationäre Simulation turbulenter Strömungen mit natürlicher Konvektion und konjugierter Wärmeübertragung vorgestellt. Turbulente Strömungen mit ihren chaotischen Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen stellen eine besondere Herausforderung für numerische Simulationen dar, wobei turbulente Strömungen, angetrieben durch thermische Auftriebskräfte, eine besonders schwierige Aufgabe darstellen. Wie in dieser Arbeit gezeigt wird, ermöglicht TLBM Large Eddy Simulationen (LES) solcher Probleme im industriellen und technischen Maßstab unter Verwendung eines Smagorinsky-Feinstruktur-Modells und unter Ausnutzung seiner intrinsischen Parallelisierbarkeit sowie der Möglichkeit, mehrere tausend Prozessorkerne zu verwenden. Die Eignung der vorliegenden Methode wird in dieser Arbeit anhand von Anwendungen zur Simulation der Innenluftströmung und der Isolationseffizienz eines Kühlwagens, des Wärmetransports im Luftspalt zwischen Rotor und Stator bei Elektromotoren, der Weiterentwicklung hocheffizienter Isolation auf der Basis von Vakuumisolationspaneelen (VIP) und Latentwärmespeichern sowie deren Anwendung in Kühlwagen gezeigt. Eine umfassende Validierung der Methode und ihrer Implementierung im Open-Source-Framework OpenLB wird durchgeführt. Gitterkonvergenz zweiter Ordnung wird gegen das analytische Porous Plate Problem demonstriert, während stabile Simulationen auch bei grober Diskretisierung mit hohen Reynolds- und Rayleigh-Zahlen erreicht werden. Eine sehr gute Übereinstimmung wird für natürliche Konvektion in einem quadratischen Hohlraum, ein bekannter Benchmark-Fall, vom laminaren zum turbulenten Regime mit 10^3 <= Ra <= 10^10 und bei Auflösungen von y+ ~ 2 gezeigt. Im ersten Teil der Ergebnisse werden Simulationen eines leeren Kühlaufbaus für einen Kühllastwagen vorgestellt. Das Strömungsfeld und der Wärmeübergang innerhalb eines gegebenen Kühllastwagens zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen, insbesondere den experimentellen Daten für ein Kühlfahrzeug bei Re ~ 53000 an vier charakteristischen Geschwindigkeits- und 13 Temperaturpositionen im Lastwagen. Die Wärmeübertragung durch die Wände wird in den Simulationen durch konjugierte Wärmeübertragung aufgelöst. Dies ermöglicht nun die präzise Vorhersage von Wärmeströmen nahe von Nusselt-Korrelationen für den gegebenen Aufbau, aber - im Gegensatz zu gewöhnlichen Nusselt-Korrelationen - wird der Wärmestrom in der Simulation räumlich aufgelöst. Im zweiten Teil der Ergebnisse wird die Strömung und der Wärmeübergang in einem Ringspalt mit innen rotierendem Zylinder untersucht. Die besondere Herausforderung bei der Simulation dieser Taylor-Couette-Strömung ist die Bildung von Taylor-Wirbeln, die durch ihre Rotation senkrecht zur Hauptströmungsrichtung den entsprechenden Wärmeübergang deutlich erhöhen. Detaillierte instationäre Simulationen werden über einen weiten Drehzahlbereich von fast schleichender Strömungen bis hin zum Auftreten von Taylor-Wirbeln durchgeführt. Es wird eine gute Übereinstimmung mit bisherigen Ergebnissen für die Strömungsstrukturen und die Verbesserung des Wärmeübergangs durch Taylor-Wirbel festgestellt. Insbesondere wird die vorliegende Methode mit Messungen, einer Korrelation und Simulationen unter Verwendung des Scherspannungstransport-Turbulenzmodells (SST) verglichen. Besonderes Augenmerk wird auf die Vorhersage der kritischen Taylor-Zahl gelegt. Während direkte numerische Simulationen (DNS) mit LBM die kritische Taylor-Zahl aus den Experimenten nahezu identisch vorhersagen, wird sie von LBM-LES leicht und vom SST-Modell weiter überschätzt, was auf die übermäßig dissipative Natur der Turbulenzmodelle für die Transition zurückzuführen ist. Im dritten Teil der Ergebnisse werden innovative Konzepte für verbesserte, nachhaltigere Kühlfahrzeuge numerisch untersucht. Um den Kraftstoffverbrauch und die damit verbundenen Emissionen zu reduzieren, werden zwei Ansätze als vielversprechend angesehen: (a) der Einbau von Vakuum-Isolationspaneelen (VIP) in die Wände des Kühlkoffers und (b) die Einführung eines Latentwärmespeichers (LHS) zum Austausch der kraftstoffbetriebenen Klimaanlage (AC). Die Verwendung des vorliegenden TLBM erlaubt in den Simulationen die Auflösung der durch die AC und die natürliche Konvektion induzierten turbulenten Luftströmung, des Wärmeflusses innerhalb der Isolierwände und der tiefgefrorenen Ladung. Dies liefert neue Erkenntnisse über den Einfluss der Konzepte auf die Wärmeübertragung in verschiedenen Kühlaufbauten. Die Simulationen zeigen einen stark reduzierten und homogenisierten einströmenden Wärmestrom für das kombinierte PUR- und VIP-Isoliermaterial im Vergleich zu einer reinen PUR-Isolierung. Die Dämmung des Kühlaufbaus mit VIPs halbiert daher die erforderliche Kühlenergie. Dies ermöglicht den Ersatz der AC durch einen LHS in Dachnähe und ein zusätzliches Lüftungssystem mit deutlich geringerer Gesamtleistung. Unter Berücksichtigung der Temperaturhomogenität von Tiefkühlprodukten wird eine leichte Umströmung des Kühlgutes als notwendig erachtet. Die maximal zulässige Ausfallzeit der AC wird in den Simulationen mit jeweils ca. 3,3 min (PUR), 8 min (PUR+VIP) und 11 min (PUR+VIP+LHS) ermittelt. Im vierten Teil der Ergebnisse wird eine LBM zur Simulation des Schmelzens und des konjugierten Wärmeübergangs auf der Basis des Transports der Gesamtenthalpie vorgestellt, welche bei Validierung gegen die analytische Lösung des zeitabhängigen Stefan-Problems präzise Ergebnisse liefert. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode zeigt geringe Grenzflächendiffusion für einen weiten Bereich von Relaxationszeiten und Stefan-Zahlen. Weiterhin wird eine enge Übereinstimmung für das Schmelzen von Gallium einschließlich der natürlichen Konvektion in 2D und 3D mit Messungen und Simulationen mit unterschiedlichen Ansätzen gezeigt. Das Modell wird ferner auf das Schmelzen von Paraffin in zwei komplexen Metallschaumgeometrien angewendet. Es wird eine Voxel-basierte parallele Vernetzung vorgestellt, die eine schnelle und automatisierte Verarbeitung der komplexen Geometrie in wenigen Minuten ermöglicht. Die Simulationen erfassen erfolgreich den materialübergreifenden Wärmetransfer in 3D, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Schaums mehr als 1000-mal größer als die des Paraffins ist. Die Form der Schmelzfront und der Einfluss der spezifischen Oberfläche der verschiedenen Metallschäume stehen in enger Übereinstimmung mit früheren Simulationen

Lattice-Boltzmann LES modelling of a full-scale, biogas-mixed anaerobic digester

An Euler–Lagrange multicomponent, non-Newtonian Lattice-Boltzmann method is applied for the first time to model a full-scale gas-mixed anaerobic digester for wastewater treatment. Rheology is modelled through a power-law model and, for the first time in gas-mixed anaerobic digestion modelling, turbulence is modelled through a Smagorinsky Large Eddy Simulation model. The hydrodynamics of the digester is studied by analysing flow and viscosity patterns, and assessing the degree of mixing through the Uniformity Index method. Results show independence from the grid size and the number of Lagrangian substeps employed for the Lagrangian sub-grid simulation model. Flow patterns are shown to depend mildly on the choice of bubble size, but not the asymptotic degree of mixing. Numerical runs of the model are compared to previous results in the literature, from a second-ordered Finite-Volume Method approach, and demonstrate an improvement, compared to literature data, of 1000-fold computational efficiency, massive parallelizability and much finer attainable spatial resolution. Whilst previous research concluded that the application of LES to full-scale anaerobic digestion mixing is unfeasible because of high computational expense, the increase in computational efficiency demonstrated here, now makes LES a feasible option to industries and consultancies

OpenLB User Guide: Associated with Release 1.6 of the Code

OpenLB is an object-oriented implementation of LBM. It is the first implementation of a generic platform for LBM programming, which is shared with the open source community (GPLv2). Since the first release in 2007, the code has been continuously improved and extended which is documented by thirteen releases as well as the corresponding release notes which are available on the OpenLB website (https://www.openlb.net). The OpenLB code is written in C++ and is used by application programmers as well as developers, with the ability to implement custom models OpenLB supports complex data structures that allow simulations in complex geometries and parallel execution using MPI, OpenMP and CUDA on high-performance computers. The source code uses the concepts of interfaces and templates, so that efficient, direct and intuitive implementations of the LBM become possible. The efficiency and scalability has been checked and proved by code reviews. This user manual and a source code documentation by DoxyGen are available on the OpenLB project website

Combining computational fluid dynamics and magnetic resonance imaging data using lattice Boltzmann based topology optimisation

This thesis presents the combination of magnetic resonance imaging (MRI) measurements and computational fluid dynamics (CFD) to reduce statistical measurement noise and identify objects and finer structures in the MRI data. Using a lattice Boltzmann based topology optimisation approach, the method allows those solutions that best match the measured flow field but satisfy the macroscopic conservation laws of fluid flow, here mass and momentum conservation. This combination is formulated as a distributed control problem that minimises the distance between measured and simulated flow field, the latter being the solution of a parametrised Boltzmann equation with Bhatnagar-Gross-Krook collision operator, where the controls represent the porosity distributed in the domain. The problem is solved with an adjoint lattice Boltzmann method using the open source software OpenLB

GPU-Native Adaptive Mesh Refinement with Application to Lattice Boltzmann Simulations

The Lattice Boltzmann Method (LBM) has garnered significant interest in General-Purpose Graphics Processing Unit (GPGPU) programming for computational fluid dynamics due to its straightforward GPU parallelization and could benefit greatly from Adaptive Mesh Refinement (AMR). AMR can assist in efficiently resolving flows with regions of interest requiring a high degree of resolution. An AMR scheme that could manage a computational mesh entirely on the GPU without intermediate data transfers to/from the host device would provide a substantial speedup to GPU-accelerated solvers, however, implementations commonly employ CPU/hybrid frameworks instead, due to lack of a recursive data structure. A block-based GPU-native algorithm will be presented for AMR in the context of GPGPU programming and implemented in an open-source C++ code. The meshing code is equipped with a Lattice Boltzmann solver for assessing performance. Different AMR approaches and consequences in implementation are considered before careful selection of data structures enabling efficient refinement and coarsening compatible with single instruction multiple data architecture is detailed. Inter-level communication is achieved by tricubic interpolation and standard spatial averaging. Although the present open-source implementation is tailored for LBM simulations, the outlined grid refinement procedure is compatible with solvers for cell-centered block-structured grids. Link to repository: https://github.com/KhodrJ/AGALComment: 30 pages, 16 figure