Lattice-Boltzmann- Simulation des Wärmeübergangs in turbulenten Rohrströmungen mit aufgelösten nicht-sphärischen Partikeln

Turbulente, mit Partikeln beladene Strömungen sind in einer Vielzahl von industriellen und natürlichen Prozessen allgegenwärtig, z.B. bei der Verbrennung von Biomasse, beim Schadstofftransport, bei Sandstürmen, Eiswolken usw. In den meisten dieser Anwendungen ist die Partikelform nicht kugelförmig. Die numerische Simulation von turbulenten Strömungen mit nicht kugelförmigen Partikeln ist kompliziert, da die Orientierung und Verteilung der Partikel eine wichtige Rolle spielt und das Strömungs- und Turbulenzverhalten erheblich verändern kann. Die meisten numerischen Studien, die sich mit turbulenten Strömungen mit nicht-kugelförmigen Partikeln beschäftigen, sind auf Punktpartikel beschränkt. Wenn die Partikel jedoch größer als die Kolmogorov-Längenskala werden, werden die Simulationen komplexer und erfordern einen hohen Rechenaufwand. In der wissenschaftlichen Literatur finden sich bisher nur sehr wenige numerische Studien zu turbulenten Strömungen mit grenzflächenaufgelösten nicht-kugelförmigen Teilchen. Die meisten dieser Studien haben isotherme Bedingungen betrachtet. Der Wärmetransport von/zu den Partikeln kann jedoch wiederum alle Strömungseigenschaften signifikant verändern. Heiße Partikel können auch die Turbulenzspektren durch Druckdilatation verändern. Solche Effekte wurden in der Vergangenheit nie gründlich untersucht. Das Ziel dieser Studie ist es, diese Lücke zu schließen, indem eine direkte numerische Simulation (DNS) von turbulenten Strömungen durchgeführt wird, die nicht-kugelförmige Partikel enthalten und Wärmeübertragungseffekte berücksichtigen. Angesichts der Komplexität des Problems und der sehr hohen Rechenkosten, die für die Simulationen erforderlich sind, wird für diese Studie ein Lattice-Boltzmann-Methode (LBM)-Löser gewählt. Aufgrund der Lokalität aller Operationen sind parallele Berechnungen mit LBM problemlos möglich. Außerdem kann es relativ einfach auf komplexe Gebiete angewendet werden, was es für den Zweck des vorliegenden Vorschlags geeignet macht. Zu diesem Zweck wird ein Immersed Boundary Verfahren (IBM) in Kombination mit einem LBM-Löser eingesetzt. Um Informationen zu liefern, die für praktische Anwendungen relevant sind, wird in den abschließenden Simulationen eine Rohrströmung betrachtet, die ein besseres physikalisches Verständnis wichtiger Phänomene wie z.B. der Partikelposition in katalytischen Reaktoren oder der Verschmutzung in Wärmetauschern ermöglicht. Solche DNS (hier basierend auf LBM) werden unser Verständnis der physikalischen Übertragungsmechanismen verbessern. Die Kombination von Turbulenz-, nicht-isothermen und fluiddynamischen Aspekten und die Berücksichtigung der gegenseitigen Wechselwirkungen, die während der Bewegung von nicht-sphärischen Partikeln auftreten, sind die zentralen Ziele dieses Vorschlags. Die Ergebnisse dieser Studie werden auch praktische Fortschritte bei der Verbesserung des Wärmeübergangs ermöglichen, möglicherweise gekoppelt mit Effekten zur Verringerung des Luftwiderstands.

Lattice-Boltzmann simulations of particulate flows

Turbulent flows laden with particles are ubiquitous in a wide range of industrial and natural processes including biomass combustion, pollutant transport, sand storms, icy clouds, etc. In most of these applications particle shape is not spherical. Numerical simulation of turbulent flows with non-spherical particles is complicated because the orientation and distribution of particles play an important role and can significantly modify flow and turbulence behavior. Most numerical studies dealing with turbulent flows involving non-spherical particles are limited to point particles. However, when particles become larger than the Kolmogorov length scale, simulations become more complex and demand large computational efforts. Very few numerical studies of turbulent flows with interface-resolved non-spherical particles can be found in the scientific literature up to now. Most of these studies have considered isothermal conditions. However, heat transfer from/to particles can again significantly alter all flow properties. Hot particles can also modify the turbulence spectra through pressure dilatation. Such effects have never been addressed thoroughly in the past. The goal of this study is to bridge this gap by performing direct numerical simulation (DNS) of turbulent flows containing non-spherical particles and considering heat transfer effects. Given the complexity of the problem and very high computational costs required for the simulations, a lattice Boltzmann method (LBM) solver is chosen for this study. Due to the locality of all operations, parallel computations are straightforward with LBM. Moreover, it can relatively easily be applied to complex domains, which makes it suitable for the purpose of the present proposal. To this end, an immersed boundary method (IBM) combined with an LBM solver will be employed. In order to deliver information relevant for practical applications, the final simulations will consider a pipe flow, opening the door for a better physical understanding of important phenomena like particle position in catalytic reactors, or fouling in heat exchangers. Such DNS (here based on LBM) will improve our understanding of the physical transfer mechanisms. Combining turbulence, non-isothermal and fluid dynamics aspects and considering the mutual interactions that occur during the motion of non-spherical particles are the central goals of this proposal. The results of this study will also enable practical progress concerning heat transfer enhancement, possibly coupled to drag-reduction effects.