Fluid-Structure Interaction Simulation of a Coriolis Mass Flowmeter using a Lattice Boltzmann Method

In this paper we use a fluid-structure interaction (FSI) approach to simulate a Coriolis mass flowmeter (CMF). The fluid dynamics are calculated by the open source framework OpenLB, based on the lattice Boltzmann method (LBM). For the structural dynamics we employ the open source software Elmer, an implementation of the finite element method (FEM). A staggered coupling approach between the two software packages is presented. The finite element mesh is created by the mesh generator Gmsh to ensure a complete open source workflow. The Eigenmodes of the CMF, which are calculated by modal analysis are compared with measurement data. Using the estimated excitation frequency, a fully coupled, partitioned, FSI simulation is applied to simulate the phase shift of the investigated CMF design. The calculated phaseshift values are in good agreement to the measurement data and verify the suitability of the model to numerically describe the working principle of a CMF

Fluid–structure interaction simulation of a coriolis mass flowmeter using a lattice boltzmann method

In this paper, we use a fluid–structure interaction (FSI) approach to simulate a Coriolis mass flowmeter (CMF). The fluid dynamics is calculated by the open-source framework OpenLB, based on the lattice Boltzmann method (LBM). For the structural dynamics we employ the open-source software Elmer, an implementation of the finite element method (FEM). A staggered coupling approach between the two software packages is presented. The finite element mesh is created by the mesh generator Gmsh to ensure a complete open source workflow. The Eigenmodes of the CMF, which are calculated by modal analysis, are compared with measurement data. Using the estimated excitation frequency, a fully coupled, partitioned, FSI simulation is applied to simulate the phase shift of the investigated CMF design. The calculated phase shift values are in good agreement to the measurement data and verify the suitability of the model to numerically describe the working principle of a CMF

Evaluation of a near-wall-modeled large eddy lattice boltzmann method for the analysis of complex flows relevant to IC engines

In this paper, we compare the capabilities of two open source near-wall-modeled large eddy simulation (NWM-LES) approaches regarding prediction accuracy, computational costs and ease of use to predict complex turbulent flows relevant to internal combustion (IC) engines. The applied open source tools are the commonly used OpenFOAM, based on the finite volume method (FVM), and OpenLB, an implementation of the lattice Boltzmann method (LBM). The near-wall region is modeled by the Musker equation coupled to a van Driest damped Smagorinsky-Lilly sub-grid scale model to decrease the required mesh resolution. The results of both frameworks are compared to a stationary engine flow bench experiment by means of particle image velocimetry (PIV). The validation covers a detailed error analysis using time-averaged and root mean square (RMS) velocity fields. Grid studies are performed to examine the performance of the two solvers. In addition, the differences in the processes of grid generation are highlighted. The performance results show that the OpenLB approach is on average 32 times faster than the OpenFOAM implementation for the tested configurations. This indicates the potential of LBM for the simulation of IC engine-relevant complex turbulent flows using NWM-LES with computationally economic costs

Lattice Boltzmann Methods for Turbulent Flows – Application to Coriolis Mass Flowmeter

Komplexe Strömungsphänomene machen es schwierig Ingenieursanwendungen so detailliert und genau zu simulieren, dass eine Charakterisierung und Verbesserung ihres Funktionsprinzips möglich ist. Diese Arbeit zeigt, dass die Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) sehr gut für diesen Zweck geeignet ist. Im Vordergrund stehen hierbei die Simulation und Modellierung von turbulenten Strömungen. Diese lassen sich auf Grund der hervorragenden Parallelisierbarkeit der LBM mit Large-eddy Simulationen an Stelle von Reynolds-gemittelten Navier--Stokes Modellen, die im industriellen Umfeld üblich sind, berechnen. Somit können komplexe transiente turbulente Strömungen simulativ untersucht werden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse dienen insbesondere der Auslegung und Optimierung von Bauteilen und Prozessen. Alle beschriebenen LBM Simulationen werden mit der Open Source Software OpenLB durchgeführt. Dazu wird OpenLB erweitert, um eine Validierung von implementierten Turbulenzmodellen mittels kanonischer Strömungsformen zu ermöglichen. Des Weiteren wird ein Framework für die Simulation von Fluid-Struktur Interaktion (FSI) geschaffen. Anfangs werden die Kollisionsoperatoren Bhatnagar--Gross--Krook (BGK), Entropic Lattice Boltzmann (ELB), Two-Relaxation-Time (TRT), Regularized Lattice Boltzmann (RLB) und Multiple-Relaxation-Time (MRT) in der Taylor-Green Vortex Strömung, einem klassischen Beispiel für abklingende homogene isotrope Turbulenz (DHIT), untersucht. Hierbei liegt der Fokus auf Stabilität, Konsistenz und Genauigkeit der verwendeten Schemata. Die Studie beinhaltet den Vergleich der turbulenten kinetischen Energie, der Dissipationsrate der Energie und dem Energiespektrum zu einer Referenzlösung. Drei unterschiedliche Reynoldszahlen, $\mathrm{Re}=800$, $\mathrm{Re}=1600$ und $\mathrm{Re}=3000$, werden sowohl unter Verwendung einer akustischen als auch einer diffusiven Skalierung betrachtet, um den Einfluss der Lattice Machzahl zu charakterisieren. In stark unteraufgelösten Gitterkonfigurationen zeigt das BGK Schema ein instabiles Verhalten. Divergierende Simulationen unter der Verwendung des MRT Schemas sind auf eine starke Abhängigkeit von der Lattice Machzahl zurückzuführen. Obwohl ELB die Viskosität verändert, kann kein Verhalten, das einem Wirbelviskositätsmodell entspricht, gefunden werden. Bei geringen Lattice Machzahlen zeigt das RLB Schema sehr geringe Energielevel bei hohen Wellenzahlen. Der ,,magic parameter" des TRT Schemas wird bestimmt im Hinblick auf den Energieeintrag. Trotzdem wird keine erhöhte Stabilität im Vergleich zum BGK Schema festgestellt. Insgesamt sollte die Lattice Machzahl bezüglich des verwendeten Kollisonsschemas gewählt werden, um die Stabilität zu gewährleisten und die Genauigkeit zu verbessern. Für die Realisierung eines wandmodellierten Large-Eddy Simulation (NWM-LES) Ansatzes wird der BGK Kollisionsoperator ausgewählt. Das Smagorinsky Wirbelviskositätsmodell kommt hierbei zum Einsatz und wird in der turbulenten Grenzschicht mit der van Driest\u27schen Dämpfungsfunktion verwendet. Der Einfluss verschiedener Implementierungen von Geschwindigkeitsrandbedingungen und Wandfunktionen wird in einer biperiodischen, voll ausgebildeten turbulenten Kanalströmung für Schubspannungs-Reynoldszahlen von $\mathrm{Re}_\tau=1000$, $\mathrm{Re}_\tau=2000$ und $\mathrm{Re}_\tau=5200$ untersucht. Die Validierung erfolgt mittels Daten einer direkten numerischen Simulation (DNS) für Turbulenzstatistiken erster und zweiter Ordnung. Die Anwendung dieses Ansatzes auf einen Coriolis Massendurchflussmesser (CMF) zeigt, dass der Druckverlust bis zu einer Reynoldszahl $\mathrm{Re}=127800$ beschrieben werden kann. Des Weiteren wird der entwickelte NWM-LES LBM Ansatz mit OpenFOAM, einer Open Source Implementierung der finititen Volumen Methode (FVM) für komplexe turbulente Strömungen, die relevant für Verbrennungsmotoren sind, verglichen. Der zuvor entwickelte und validierte LBM Ansatz wird mit einer Geschwindigkeitsrandbedingung für gekrümmte Ränder erweitert. Die Ergebnisse beider Strömungslöser werden mit Daten eines Particle Image Velocimetry (PIV) Experiments verglichen. Die Validierung umfasst sowohl die zeitgemittelten als auch die quadratisch gemittelten (RMS) Geschwindigkeitsfelder. Zusätzlich wird sowohl die Laufzeit der Simulation als auch die Dauer der unterschiedlichen Gittergenerierungsprozesse bestimmt. Die Performanceanalyse der getesteten Konfiguration zeigt, dass OpenLB 32-mal schneller ist als OpenFOAM. Folglich ist der entwickelte NWM-LES LBM Ansatz dazu in der Lage, komplexe turbulente Strömungen in einer Ingenieursanwendung akkurat und mit einem verringerten Rechenaufwand zu beschreiben. Wirbel induzierte Vibrationen (VIV) sind ein weiterer wichtiger Anwendungsfall für Ingenieursapplikationen. Für die Untersuchung dieser werden verschiedene Fluid-Struktur Ansätze für LBM implementiert, verglichen und evaluiert. Die zwei untersuchten Klassen sind die Moving Boundary Methods (MBM) und die Partially Saturated Methods (PSM). Als erstes wird die Galiläische Invarianz von aerodynamischen Koeffizienten für die einzelnen Schemata untersucht. Dazu wird das BGK Schema verwendet, um einen exzentrisch positionierten Zylinder in einer Couette Strömung zu simulieren. Überdies werden verschiedene Volumenapproximationsmethoden für PSM und Auffüllmechanismen für MBM verglichen. Sowohl die Gitterkonvergenz als auch die Konvergenz der Galiläischen Invarianz werden betrachtet. Die Studie der VIV-Phänomene umfasst einen transvers oszillierenden Zylinder in einem Freistrom bei einer Reynoldszahl von $\mathrm{Re}=100$. Dabei werden freie und erzwungene Oszillation betrachtet, um bekannte Phänomene, wie Lock-in und Lock-out Zonen, zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl MBM als auch PSM eine gute Übereinstimmung zu Literaturdaten aufweisen, womit die Eignung für VIV-Simulationen bestätigt werden kann. Schließlich wird ein Fluid-Struktur Interaktionsansatz unter der Verwendung eines MBM Ansatzes für die Simulation eines CMFs realisiert. Hierbei wird OpenLB mit Elmer, einer Open Source Implementierung der Finite-Elemente-Methode, gekoppelt, um auch die Strukturdynamik zu beschreiben. Ein gestaffelter Kopplungsansatz zwischen den beiden Softwarepaketen wird präsentiert. Das Finite-Elemente-Gitter wird durch das Gittergenerierungstool Gmsh erstellt, um einen kompletten Open Source Workflow zu garantieren. Zunächst werden die Eigenmoden des CMFs berechnet und mit Messdaten verglichen. Die daraus bestimmte Anregungsfrequenz wird zur Bestimmung des Phasenshifts in einer partitionierten voll gekoppelten FSI Simulation verwendet. Der berechnete Phasenshift zeigt eine gute Übereinstimmung mit den Messdaten und bestätigt, dass dieses Modell in der Lage ist, das Funktionsprinzip eines CMFs zu beschreiben. Die durchgeführten Studien zeigen das große Potential der LBM für die Simulation von Ingenieursapplikationen, insbesondere wenn turbulente Strömungen betrachtet werden

Solid-Particles Deposition Through a Turbulent Impinging Jet Using Lattice Boltzmann Method

Solid particle distribution on an impingement surface has been simulated utilizing a graphical processing unit (GPU). An in-house computational fluid dynamics (CFD) code has been developed to investigate a 3D turbulent impinging jet using the lattice Boltzmann method (LBM) in conjunction with large eddy simulation (LES) and the multiple relaxation time (MRT) models. This work proposed an improvement in the LBM-cellular automata (LBM-CA) probabilistic method. In the current model, the fluid flow utilizes the D3Q19 LBM lattice model, while the particles movement employs the D3Q27 one. The particle numbers are defined at the same regular LBM (fluid) nodes, and the transport of particles from one node to its neighbouring nodes are determined in accordance with the particle bulk density and velocity by considering all the external forces. The previous CA models distribute particles at each time step without considering the local particles number and velocity at each node. The present model overcomes the deficiencies of the previous LBM-CA models and, therefore, can better capture the dynamic interaction between particles and the surrounding turbulent flow field. Despite increasing popularity of the LBM-MRT model in simulating complex multiphase fluid flows, this approach is still expensive in term of memory size and computational time required to perform 3D simulations. To improve the throughput of simulations, a single GeForce GTX TITAN X GPU is used in the present work. The CUDA parallel programming platform and the CuRAND library are utilized to form an efficient LBM-MRT-CA algorithm. The LBM-MRT fluid (i.e. no particles) model results were compared with two benchmark test cases ones. The first case is a turbulent free square jet, and the second one is a circular turbulent impinging jet for L/D=2 at Reynolds number equals to 25,000, where L is the nozzle-to-surface distance and D is the jet diameter. The LBM-CA simulation methodology was first validated against a benchmark test case involving particle deposition on a square cylinder confined in a duct. The flow was unsteady and laminar at Re=200 (Re is the Reynolds number), and simulations were conducted for different Stokes numbers. The GPU code was then used to simulate the particle transport and deposition in a turbulent impinging jet at Re=10,000. The effect of changing Stokes number on the particle deposition profile was studied at different L/D ratios, i.e. L/D=2, 4, and 6. The current model was finally used to simulate the particle impaction pattern from a circular jet for L/D=0.5, where the effect of changing Stokes and Reynolds numbers on the particle transport and deposition was examined. The present LBM-CA solutions agree well with other results available in the open literature. For comparative studies, another in-house serial CPU code was also developed, coupling LBM with the classical Lagrangian particle dispersion model. Agreement between results obtained with LBM-CA and LBM-Lagrangian models and the experimental data for the impinging jet case of L/D=0.5 is generally good, and the present LBM-CA approach on GPU achieves a speedup ratio of about 150 against the serial code running on a single CPU. Another new model was proposed to incorporate the solid particle phase effect (i.e. two-way coupling) on the fluid flow. The LMB-Lagrangian approach was used in this model to track solid particles in the computational domain. The solid particle phase was considered as a porous medium moving in the computational domain. The impact of the porous medium (i.e. the solid particle phase) on the fluid flow characteristics (e.g. fluid velocity) is a function of the particle phase volume fraction and velocity in the LBM. Particle-particle collision (i.e. four-way coupling) was also considered in this model by utilizing the discrete element method (DEM). This approach can numerically capture the multi-particle collision behaviours in dense particle suspension problems. This model data were compared with the numerical study ones for a single bubble injected in a fluidized bed, and the results of the bubble diameters at different injection velocity were in good agreement

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