Implicit Large Eddy Simulation of Flow in a Micro-Orifice with the Cumulant Lattice Boltzmann Method

A detailed numerical study of turbulent flow through a micro-orifice is presented in this work. The flow becomes turbulent due to the orifice at the considered Reynolds numbers (∼104). The obtained flow rates are in good agreement with the experimental measurements. The discharge coefficient and the pressure loss are presented for two input pressures. The laminar stress and the generated turbulent stresses are investigated in detail, and the location of the vena contracta is quantitatively reproduced

Ein Kumulanten-Lattice-Boltzmann-Methode für LES von Dispersionsmikrosystemen

The production of nano-particles from larger aggregates is an important industrial process, especially for life-science products. In this thesis a micro-machined disperser developed by the DFG Research Group FOR 856 mikroPART is studied numerically by the cumulant lattice Boltzmann method. The aggregates are modeled as tracer particles with mass and drag coefficient. They record the history of the stresses and the relative velocity of the aggregates with respect to the fluid. For the evaluation of the velocities and stresses a compact second-order interpolation scheme is utilized. The tracer particles are implemented in a massively parallel multi-resolution lattice Boltzmann framework. The simulation of the disperser is validated against PIV and flow rate measurements from collaborators in the mikroPART Research Group. The drag coefficients of the aggregates are obtained by detailed simulations of synthetic aggregates in simple shear flow, elongational flow, and rotational flow. An empirical relation between the drag coefficient and the number of primary particles in the aggregate and its fractal dimensions is found and used in the tracer simulation of the disperser. Different measures of load on the aggregates are obtained by the simulation, for example maximal strain, exposure time to a certain strain, and relative velocity of the particles with respect to the surrounding fluid. It is assumed that ceramic aggregates break-up when they suffer a threshold strain rate. The distribution of the maximum strain rate seen by an aggregate can be condensed into a simple exponential cumulative probability distribution. Combined with a given threshold for the particle break-up this condensed model can also be used to determine the probability for aggregate breakage after n passages of the device. It is found that aggregates with realistic geometry (fractal number 1.85) usually have Stokes numbers smaller than one such that the load on these aggregates is dominated by the strain in the surrounding fluid. This is in contrast to spherical particles (fractal number 3) that have Stokes numbers in excess of one such that the load from their relative velocity with respect to the surrounding fluid is not negligible.Die Erzeugung von Nanopartikeln aus größeren Aggregaten ist ein wichtiger industrieller Prozess insbesondere in den Lebenswissenschaften. In dieser Dissertation wird ein von der DFG-Forschergruppe FOR 856 mikroPART entwickelter Dispergierkanal mit Hilfe der Kumulanten-Lattice-Boltzmann-Methode numerisch untersucht. Die Aggregate werden als Partikel mit Masse und Strömungswiderstandsbeiwert modelliert. Sie zeichnen den Verlauf der Spannungen und den der Relativgeschwindigkeit zwischen Partikel und Fluid über die Zeit auf. Die Geschwindigkeiten und Spannungen werden mit Hilfe eines kompakten Interpolationsschemas zweiter Ordnung berechnet. Die Partikelsimulation wird in ein massiv-paralleles Mehrskalen-Lattice-Boltzmann-Framework eingebettet. Zur Validierung wird die Simulation des Dispergierkanals mit PIV- und Flussratenmessungen verglichen, die von Projektpartnern innerhalb der mikroPART-Forschergruppe durchgeführt wurden. Die Strömungswiderstandsbeiwerte der Aggregate werden durch umfangreiche Simulationen synthetischer Aggregate in einfachen Scherströmungen, Dehnströmungen und Rotationsströmungen ermittelt. Es wird ein empirischer Zusammenhang zwischen dem Strömungswiderstandsbeiwert und der Anzahl der Partikel im Aggregat sowie dessen fraktaler Dimension aufgestellt. Dieser wird in der Partikelsimulation des Dispergierkanals verwendet. Die Simulation liefert verschiedene Masse für die Belastung der Aggregate, unter anderem die maximale Dehnung, die Einwirkzeit einer gegebenen Mindestdehnung und die Relativgeschwindigkeit der Partikel zu dem umgebenden Fluid. Es wird angenommen, dass keramische Aggregate brechen, wenn eine bestimmte Schwellendehnungsrate überschritten wird. Die Verteilung der maximalen von einem Aggregat erfahrene Dehnungsrate kann durch eine einfache exponentielle kumulative Wahrscheinlichkeitsverteilung ausgedrückt werden. In Verbindung mit dem Schwellenwert kann dieses reduzierte Modell zur Abschätzung der Wahrscheinlichkeit des Aggregatbruches nach n Durchquerungen des Dispergierkanals verwendet werden. Es wird festgestellt, dass bei realistischen Aggregatsgeometrien (fraktale Dimension 1.85) typischerweise Stokeszahlen kleiner als eins auftreten, so dass der dominierende Lastmechanismus die Dehnung durch das umgebende Fluid ist. Im Gegensatz dazu treten bei kugelförmigen Partikeln (fraktale Dimension 3) Stokeszahlen größer als eins auf. Daher ist die Last aus der Relativgeschwindigkeit zu dem umgebenden Fluid nicht vernachlässigbar

Entwicklung und Validierung von Turbulenzmodellen für Lattice Boltzmann Methoden

Computational fluid mechanics has become a standard approach in many branches of engineering. Simulation of flow on the building- and infrastructure scale, however, remains very challenging and is mostly restricted to basic research at the present stage. In particular, accurate, three-dimensional, time-resolved simulation such as Large Eddy Simulation is still rarely used despite its potential. On the other hand, it is reasonable to expect a growing influence of these methods as computers become more powerful and numerical methods evolve. In the present work the Lattice Boltzmann method is chosen as a starting point to analyze simulations of flow around buildings. This approach appears to be particularly apt for such applications due to its very good scalability with respect to parallel computing. Different variants of the Lattice Boltzmann method, namely the Lattice Bhatnagar-Gross-Krook method, the Multiple Relaxation Time method, and variants of the Cascaded Lattice Boltzmann (CLB) method have been implemented and compared on the basis of standard benchmarks. Several turbulence models, such as the Smagorinsky model, the wall adapting local eddy-viscosity model, and Vreman’s model have been investigated. One focus was on the applicability of the Lattice Boltzmann method to turbulent flows, considering also the interdependence between the numerical method and the LES model. Particular attention was paid to the ability of these models to correctly reproduce turbulent shear flows. Some typical infrastructure elements have been studied and compared to wind-tunnel data. The simulations were carried out on a PC cluster and on graphics processing chips. Overall, the Lattice Boltzmann method has yielded good results for turbulent flow simulations, which is documented in several benchmarks. In particular, the results for the Factorized CLB model show for the first time for a reasonably complex benchmark, that the model performs well for turbulent flows, for which an explanation is attempted.Strömungsmechaniksimulationen sind in vielen Bereichen des Ingenieurwesens bereits Standard. Für die anspruchsvollen Simulationen von Strömungen auf Gebäudeskala im Bauingenieurwesen ist dies jedoch aufgrund des hohen Aufwands und der komplexen Geometrien noch nicht der Fall. Insbesondere zeitaufgelöste dreidimensionale Simulationen wie Large Eddy Simulationen finden in der Praxis kaum Anwendung. Andererseits kann damit gerechnet werden, dass mit der zunehmender Leistungsfähigkeit von Rechnersystemen und Fortschritten bei numerischen Methoden relevante Anwendungen immer praktikabler werden. In dieser Arbeit wurde als Ausgangspunkt das Lattice Boltzmann (LB) Verfahren gewählt. Aufgrund der guten Parallelisierbarkeit eignet es sich für derart aufwändige Anwendungen besonders. Verschiedene Varianten des LB-Verfahrens, nämlich das Lattice-Bhatnagar-Gross-Krook-Verfahren , das Multiple-Relaxation-Time-Verfahren und Varianten des Kaskadierten Lattice-Boltzmann-Verfahrens (CLB), wurden implementiert und anhand von Benchmarks verglichen. Desweiteren wurden verschiedene Turbulenzmodelle, wie das Smagorinsky-Modell, das wall adapting local eddy-viscosity-Modell und das Vreman-Modell untersucht. Dabei wurde ein besonderes Augenmerk auf die Anwendbarkeit der LB-Modelle bei turbulenten Strömungen gerichtet und auch berücksichtigt, dass eine Wechselwirkung zwischen dem verwendeten LB-Modell und dem Large-Eddy-Modell vorliegt. Beispielhaft wurden dann die Strömung in und um einige Strukturen auf Gebäudeskala, bzw. entsprechender Windkanalmodelle, untersucht. Dazu wurden verteilte Rechnungen auf einem CPU-Cluster und auf Grafikkarten (GPGPUs) durchgeführt. Im Allgemeinen hat das LB Verfahren gute Ergebnisse für turbulente Strömungen geliefert. Insbesondere die Ergebnisse zum faktorisierten CLB-Modell zeigen zum ersten Mal an einem komplexen Testfall, dass dieses Modell für turbulente Strömungen gut geeignet ist, wofür auch Erklärungsansätze geliefert werden

The Numerical Simulation of Fluid Flow

This book collects the accepted contributions to the Special Issue "The Numerical Simulation of Fluid Flow" in the Energies journal of MDPI. It is focused more on practical applications of numerical codes than in its development. It covers a wide variety of topics, from aeroacoustics to aerodynamics and flow-particles interaction

Bibliography of Lewis Research Center technical publications announced in 1993

This compilation of abstracts describes and indexes the technical reporting that resulted from the scientific and engineering work performed and managed by the Lewis Research Center in 1993. All the publications were announced in the 1993 issues of STAR (Scientific and Technical Aerospace Reports) and/or IAA (International Aerospace Abstracts). Included are research reports, journal articles, conference presentations, patents and patent applications, and theses