Untersuchung von mehrphasigen, kompressiblen Strömungen durch Simulation und Experiment

Abstract

Die Untersuchung von kompressiblen und mehrphasigen Strömungen in technischen Anlagen ist nach wie vor eine Herausforderung. Die experimentelle Erfassung der Strömung ist aufgrund des hohen Dichteunterschiedes oft schwierig. Die Simulation solcher Strömungen stellt ebenfalls eine Herausforderung dar, da man die Phasengrenze sowie den Impulsaustausch genau abbilden muss.<br />In dieser Arbeit werden schnelle, mehrphasige Strömungen in Anlagen im sowohl Labor- als auch Industriemaßstab simulativ und experimentell untersucht. Dazu wurde ein kompressibler, mehrphasiger Solver in OpenFOAM entwickelt, der auf dem Finite-Volumen Verfahren beruht. Zur Mehrphasenmodellierung wird die Volume-of-Fluid Methode verwendet. Der Solver ist parallelisierbar, somit wird ermöglicht, dass die benötigte hohe räumliche und zeitliche Auflösung gewährleistet werden kann und dass gleichzeitig eine akzeptable Rechenzeit beibehalten werden kann.<br />Der Solver ist kompatibel mit kommerziellen Softwarepaketen, was den Import und Export von Daten ermöglicht.<br />Der Solver wird mit simulativen und experimentellen Ergebnissen aus der Literatur validiert. Im Anschluss werden mit diesem Solver vier Themengebiete analysiert, die mehrphasige Strömungen bei hohen Geschwindigkeiten beinhalten.<br />

The investigation of compressible multiphase flows in technical equipment is still a challenging task. The experimental depiction of the flow is often difficult due to the high density difference. The simulation of such flows can be complicated, as one has to correctly depict the interface between the phases as well as the interphase momentum exchange.<br />In this work multiphase flows at high velocities in bench-scale as well as industrial equipment are investigated both theoretically and experimentally. For this reason a compressible, multiphase solver was implemented in the open source CFD library OpenFOAM, which is based on the finite-volume method. For multiphase modeling the volume-of-fluid method is used.<br />The solver can be run in parallel, which enables the needed spatial and temporal resolution of the problem settings at acceptable calculation times. The solver is compatible to commercial software packages thus guaranteeing import and export of data.<br />The solver is validated with simulative and experimental results from literature. In addition four topics are analyzed, which include multiphase flows at high velocities.