Strömungsdynamisches Mehrphasenmodell für kompressible und nicht-Newtonsche Fluide

Im Zuge des exponentiellen Wachstums der verfügbaren Rechenressourcen werden strömungsmechanische Fragestellungen in Wissenschaft und Industrie immer häufiger mit der Hilfe von computergestützten Berechnungsmethoden beantwortet. Das scherratenabhängige Bewegungsverhalten nicht‑Newtonscher Fluide ist dabei aufgrund ihrer Präsenz in nahezu allen Lebensbereichen nicht selten Gegenstand des Forschungsinteresses. Bei vielen Anwendungen spielt deren Interaktion mit Prozess- oder Umgebungsgasen eine wichtige Rolle. Je nach vorliegendem Strömungsszenario, muss im Rahmen der Modellierung auch die Kompressibilität dieser Gase berücksichtigt werden. Die Möglichkeiten, derartige Strömungsvorgänge mit Open Source Anwendungen kostengünstig abzubilden, sind jedoch derzeit noch stark limitiert. Infolgedessen beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung einer Software-Applikation zur numerischen Analyse kompressibler Mehrphasenströmungen mit nicht‑Newtonschen Fluiden.

 

Aufbauend auf den Gleichungslösern der frei zugänglichen Simulationsplattform OpenFOAM werden die zeitunabhängigen Viskositätsmodelle Power Law, Cross Power Law, Casson, Bird‑Carreau und Herschel‑Bulkley in die kompressible Mehrphasenbibliothek der Software implementiert. Diesbezüglich steht auch die benutzerfreundliche Eingabe der spezifischen Modellparameter sowie die automatisierte Ausgabe relevanter Kenngrößen im Fokus. Für alle fünf Ansätze erfolgt die Validierung des neuen Quellcodes anhand der Simulationsergebnisse einer Zweiphasenströmung über eine rückwärtsgewandte Stufe. Im Hinblick auf die gewählten Randbedingungen zeigen die Fluidpaarungen, bestehend aus Luft und einer charakteristischen Testflüssigkeit, physikalisch plausible Strömungsverläufe. Darüber hinaus belegt die Auswertung von jeweils 20 Stichproben die korrekte Adaption der theoretischen Formulierungen zur mathematischen Kopplung von Scherrate und Viskosität.

 

Die vorgestellten Algorithmen werden im Weiteren herangezogen, um das Potential eines Optimierungsansatzes aus dem Bereich der demontagefreien Reinigung von Anlagenkomponenten zu beurteilen. Für ein zweiphasiges, druckluftgesteuertes Impulsspülverfahren wird untersucht, ob sich in Anbetracht der komplexen Geometrie eines Plattenwärmeübertragers mit nicht‑Newtonschen Spülflüssigkeiten höhere Reinigungserfolge erzielen lassen als mit Leitungswasser. Zu diesem Zweck wird der hochdynamische Prozess auf Basis einer realen Strömungskavität modelliert und eine Studie mit fünf scherverdünnenden Xanthan-Wasser-Lösungen, zwei dilatanten Stoffen und dem Newtonschen Referenzfluid angestrengt. Abschließend folgt die Diskussion der beobachteten Strömungstopologien, wobei mittels der berechneten Wandschubspannungen die zu erwartende Reinigungsleistung sowie deren Homogenität im praxisbezogenen Kontext bewertet wird.

In the course of the exponential growth of available computational resources, fluid mechanical issues in science and industry are increasingly investigated by means of numerical methods. Due to their presence in almost all aspects of life, the shear rate-dependent motion of non‑Newtonian fluids is frequently a subject of interest in research. In many applications, their interaction with process or ambient gases is a crucial element. Determined by the given flow regime, the compressibility of these gases must also be taken into account in the modelling process. However, the capabilities to examine such flows cost-effectively with open source applications are currently still limited. Hence, the present work deals with the development of a software application for the numerical analysis of compressible multiphase flows with non-Newtonian fluids.

 

Based on the solvers of the open source CFD-platform OpenFOAM, the time-independent viscosity models Power Law, Cross Power Law, Casson, Bird-Carreau and Herschel-Bulkley are implemented in the compressible multiphase library of the software. In this respect, a user‑friendly input of the specific model parameters as well as the automated output of relevant flow quantities are in focus. For all five approaches, the validation of the new source code is carried out by using simulation results of a two-phase flow over a backward facing step. In view of the defined boundary conditions, the fluid mixtures, consisting of air and a characteristic test fluid, show physically reasonable flow patterns. Furthermore, the evaluation of 20 samples each proves the correct adaptation of the theoretical expressions for the mathematical coupling of shear rate and viscosity.

 

In the following, the algorithms presented will be utilised to evaluate the potential of an optimisation approach in the field of disassembly-free cleaning of plant components. For a two‑phase, compressed air-driven impulse flushing technique, it is investigated whether better cleaning results can be achieved using non-Newtonian flushing fluids instead of tap water, considering the complex geometry of a plate heat exchanger. For this purpose, the highly dynamic process is modelled on the basis of a real flow cavity and a survey including five shear thinning xanthan gum aqueous solutions, two dilatant fluids and the Newtonian reference fluid is performed. Finally, the observed flow topologies are discussed and the anticipated cleaning efficiency as well as its homogeneity is evaluated in a practice-related context by means of the calculated wall shear stresses.

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