Cacuci, Dan Gabriel

Grötzbach, Günther

Sabisch, W.

Wörner, Martin

KITopen

Forschungszentrum KarlsruheTechnik und UmweltInstitut für ReaktorsicherheitDreidimensionale numerische Simulation von Einzelblasen und Blasenschwärmen mit dem Rechenprogramm TURBIT-VoFW. Sabisch, M. Wörner, G. Grötzbach, D.G. CacuciForschungszentrum Karlsruhe, Institut für Reaktorsicherheit1. Workshop „CFD in der Praxis“Bad Dürkheim12. und 13. September 2000Forschungszentrum KarlsruheTechnik und UmweltInstitut für Reaktorsicherheit2M. WörnerGliederung• Motivation• Mathematische Beschreibung– Grundgleichungen– Numerik im Rechenprogramm TURBIT-VoF• Ergebnisse– Einzelblasen verschiedener Form– Schwarm von Blasen• SchlussfolgerungenForschungszentrum KarlsruheTechnik und UmweltInstitut für Reaktorsicherheit3M. WörnerMotivation• Phänomene in Blasenströmungen– Blaseninduzierte Turbulenz („Pseudo-Turbulenz“)– Dämpfung von scherinduzierter Turbulenz– Schwarmverhalten von BlasenVorgänge sind nicht vollständig verstandenkeine zufriedenstellende Modellierung in CFD-Codes• Zielsetzung: „direkte“ Simulationen mit der VoF-Methode– grundlegendes Verständnis erweitern– aus Datenbasis verbesserte Modelle entwickeln Forschungszentrum KarlsruheTechnik und UmweltInstitut für Reaktorsicherheit4M. WörnerDimensionslose GrundgleichungenrefintrefrefintrefmintmmmmmWenaeWeEo)f()(Rep)Duu(utκττρρ+−++⋅∇+−∇=+⊗⋅∇+∂∂3110=⋅∇ mu( )( )( )222111121111ufufu)f(,ffmmmρρραρρρ−+≡≡−+≡Forschungszentrum KarlsruheTechnik und UmweltInstitut für Reaktorsicherheit5M. WörnerVolume-of-Fluid (VoF) Methode0=⋅∇+∂∂)uf(tfmNeuer Algorithmus zur Rekonstruktion der Phasengrenzfläche:EPIRA = Exact Plane Inferface Reconstruction AlgorithmEine ebene drei-dimensionale Phasengrenzfläche wird stets exaktrekonsturiert, unabhänig von ihrer Orientierung im Raum.1.) Phasengrenzfl. rekonstruieren2.) Phasengrenzfl. advektierenForschungszentrum KarlsruheTechnik und UmweltInstitut für Reaktorsicherheit6M. WörnerRechenprogramm TURBIT-VOF• Finite Volume Methode auf strukturiertem versetzem Gitter• Continuum Surface-Force-Modell für Oberflächenspannung• Lösung der Druck-Poisson-Gleichung mit CG Verfahren• Explizites Runge-Kutta Zeitintegrationsverfahren (3. Ordn.) • Zentrales Differenzenschema für diffusive Terme (2. Ordn.)• W-ENO Differenzenschema für konvektive Terme (3. Ordn.) VoF Methode mit verbesserter Rekonstruktion (EPIRA)       und hochauflösenden numerischen VerfahrenForschungszentrum KarlsruheTechnik und UmweltInstitut für Reaktorsicherheit7M. WörnerVerifikation von TURBIT-VoF• einphasige Strömung (Taylor-Green Wirbel)• Schwerewelle (Vergleich mit analytischer Lösung)• Kapillarwelle (Vergleich mit analytischer Lösung)• Rayleigh-Taylor Instabilität (2D und 3D)• Blase in Ruhe (Drucksprung)Forschungszentrum KarlsruheTechnik und UmweltInstitut für Reaktorsicherheit8M. WörnerZweidimensionale Blase in Ruhe• zylindrische Grenzfläche• Gitter: 80 x 4 x 80 • Anfangsbedingung: ui = 0• Laplace‘scher Drucksprung:• aber: artifizielle Strömungen(ca. 1% der Aufstiegsgeschw.)Blaserpσ=∆Forschungszentrum KarlsruheTechnik und UmweltInstitut für Reaktorsicherheit9M. WörnerGeometrie und Randbedingungen• x-, y-Richtung: periodische Randbedingungen• z-Richtung: feste WändexzyLz=Lref LxLygdForschungszentrum KarlsruheTechnik und UmweltInstitut für Reaktorsicherheit10M. WörnerBez. Eo Log M Gitter Gebiet d / L Anf.-W. Form1BLc 0,2 -10,6 64*64*64 1x1x1 1 / 4 1BLa kugelförmig1BLa 3,07 -5,51 64*64*64 1x1x1 1 / 4 U=0 ellipsoid1BLaa 3,07 -5,51 64*64*128 1x1x2 1 / 8 U=0 ellipsoid1Blab 3,07 -5,51 128*64*64 2x1x1 1 / 4 U=0 ellipsoid1Blac 3,07 -5,51 128*128*128 1x1x1 1 / 4 U=0 ellipsoid5BLa 3,07 -5,51 64*64*64 1x1x1 1 / 4 U=0 ellipsoid1BLb 243 2,42 64*64*64 1x1x1 1 / 4 1BLa schirmförmig1BLd 3,07 -9,6 64*64*64 1x1x1 1 / 4 1BLa forminstabilSimulations-Parameter 1211212==µµρρ///Forschungszentrum KarlsruheTechnik und UmweltInstitut für Reaktorsicherheit11M. Wörner4232422ReWeEo)(gModuWegd)(EoduRelgllrefBlaseBlaselrefBlaseglreflBlaseBlaselref⋅=−==−==σρρρµσρσρρµρBlasenformen nach Clift,Grace,WeberKennzahlen:Forschungszentrum KarlsruheTechnik und UmweltInstitut für Reaktorsicherheit12M. WörnerFall :ellipsoide BlaseExp. Sim.Halb-achsenv. 0,72 0,71ReBlase 50...70 61,5Forschungszentrum KarlsruheTechnik und UmweltInstitut für Reaktorsicherheit13M. WörnerFall : schirmförmige BlasegStationäre Blasenform:RechnungExp. Bhaga&WeberForschungszentrum KarlsruheTechnik und UmweltInstitut für Reaktorsicherheit14M. WörnerFall : forminstabile BlaseFoto einer forminstabilen Luftblase in WasserForschungszentrum KarlsruheTechnik und UmweltInstitut für Reaktorsicherheit15M. WörnerFall : Aufstiegsbahn der forminstabilen BlasegForschungszentrum KarlsruheTechnik und UmweltInstitut für Reaktorsicherheit16M. WörnerFünf ellipsoide Blasen (Fall , α = 4%)t = 0 t = 2.29Forschungszentrum KarlsruheTechnik und UmweltInstitut für Reaktorsicherheit17M. Wörner• verbesserte VoF-Methode für 3D Blasendynamik• gute Ergebnisse auch bei „grober“ Blasenauflösungnumerisches Tool zur Untersuchung von Blasen-Blasen Wechselwirkung und Blaseninduzierter Turbulenz• Entwicklung entsprechender physikalischer Modelle• Koaleszenz und Fragementierung von Blasen• Erweiterung für Wärme- und evtl. StoffübergangSchlussfolgerungen und Ausblick

Dreidimensionale Numerische Simulation von Einzelblasen und Blasenschwärmen mit dem Rechenprogramm TURBIT-VoF

https://publikationen.bibliothek.kit.edu/230048236/151123712

Dreidimensionale Numerische Simulation von Einzelblasen und Blasenschwärmen mit dem Rechenprogramm TURBIT-VoF

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

KITopen