Zur Seitenansicht
 

Titelaufnahme

Titel
LBDEMcoupling : implementation, validation, and applications of a coupled open-source solver for fluid-particle systems / eingereicht von Dipl.-Ing. Philippe Seil
VerfasserSeil, Philippe
Begutachter / BegutachterinPirker, Stefan ; Sun, Jin
ErschienenLinz, Juli 2016
Umfangxii, 135 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Linz, Univ., Dissertation, 2016
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Simulation / lattice Boltzmann / discrete element method / Sedimenttransport / Segre-Silberberg-Effekt / enge Kanäle
Schlagwörter (EN)lattice Boltzmann method / discrete element method / sediment transport / pattern formation / narrow channels / Segre-Silberberg effect
Schlagwörter (GND)Teilchenstrom / Simulation / Kanal / Schüttung
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-11211 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist gemäß den "Hinweisen für BenützerInnen" verfügbar
Dateien
LBDEMcoupling [5.45 mb]
Links
Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Simulationen von Strömungen mit Partikeln sind in vielen Bereichen von Wissenschaft und Technik von großem Interesse. Deshalb werden Simulationswerkzeuge benötigt, die effiziente und exakte Simulationen solcher Systeme ermöglichen. Für voll aufgelöste Simulationen hat sich eine Kopplung zwischen der Lattice Boltzmann-Methode (LBM) und der discrete element-Methode (DEM) als hervorragender Kandidat herausgestellt. Die vorliegende Arbeit handelt von einer Kopplung genau dieser beiden Methoden, LBDEM coupling, welche zwei etablierte open-source-Projekte verbindet: Palabos für die LBM, und LIGGGHTS für die DEM. Nach einer kurzen allgemeinen Einführung werden die theoretischen Grundlagen der beiden verwendeten Methoden sowie die Algorithmen zur Kopplung diskutiert. Darauf folgt eine Auswahl an Validierungsbeispielen für eine 2D-Implementierung der Kopplung und für die 3D-Implementierung. In allen Fällen stimmen die mit LBDEM coupling erhaltenen Resultate gut mit experimentellen und numerischen Vorhersagen überein. Weiters wird die Leistungsfähigkeit der 3D-Implementierung bei parallellen Simulationen betrachtet, mit dem Ergebniss dass sie bis zu 256 Prozessoren gute Skalierbarkeit aufweist. Der Anwendungsteil beginnt mit einem Überblick über den Stand der Forschung auf dem Gebiet der Strömung von Suspensionen durch enge Kanäle. Vom Fåhræus-Lindkvist-Effekt und dem Segré-Silberberg-Effekt ausgehend werden experimentelle und numerische Resultate sowie analytische Betrachtungen zu lateralen Kräften auf Partikel in engen Kanälen zusammengefasst. In den beiden folgenden Kapiteln werden Simulationen von Partikeln in engen Kanälen präsentiert. Das erste der beiden Kapitel betrachtet 2D-Simulationen eines einzelnen kreisförmigen Teilchens in einer Poiseuille-Strömung. Die Zeit zum Erreichen der Gleichgewichtsposition skaliert mit 1/Re, und es wurden mindestens vier Typen von Trajektorien gefunden, auf denen das Teilchen die Gleichgewichtsposition erreicht: asymptotisch, oszillierend, überschießend und kanalquerend. Im zweiten Kapitel wird eine Suspension aus kugelförmigen Partikeln mittels Simulationen betrachtet, welche durch einen Kanal mit quadratischem Querschnitt strömt. In solchen Systemen existieren Gleichgewichtspositionen in den Ecken des Kanals und nahe der Mitte der Seitenflächen. die Stabilität dieser Gleichgewichtspositionen hängt von Reynoldszahl der Strömung und Volumsanteil der Partikel ab. Es wurden unter anderem zwei neue Effekte gefunden: Bei Re =60, 190 entsteht bei einem Volumsanteil von fs = 0.3% eine zweite Gleichgewichtsposition an der Mitte der Seitenflächen. Diese Gleichgewichtsposition liegt näher an der Kanalmitte. Bei Re = 310, 500 sind im Fall eines einzelnen Teilchens die Gleichgewichtspositionen sowohl in den Ecken als auch an den Seitenflächen stabil. Beginnend bei fs = 0.1% finden sich allerdings immer weniger Partikel an den Seitenflächen und mehr in den Ecken. Beide Effekte können durch Interaktionen zwischen den Teilchen erklärt werden. In einer zweiten Anwendung von LBDEM coupling wurde das Verhalten von Schüttungen unter einer turbulenten Scherströmung untersucht, eine Situation ähnlich zu Vorgängen am Grund von Flussbetten. Drei verschiedene Schüttungen wurden betrachtet: monodispere (d = 1mm) und bidisperse (d = 1, 2mm) Kugelschüttungen und ein Bett aus länglichen Ellipsoidne mit einem Achsenverhältnis von 1:2 und dem gleichen Volumen wie die kleineren Kugeln. Monodisperse Schüttung und Ellipsoidschüttung zeigen ähnliches Verhalten, während im bidispersen Bett erst die kleinen Partikel von der Strömung angehoben wurden, und danach die großen Kugeln. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass LBDEM coupling die effiziente und exakte Simulation von Fluid-Partikel-Systemen ermöglicht.

Zusammenfassung (Englisch)

Simulations of fluid-particle systems are of great interest for a wide variety of fields in both science and engineering. Therefor, simulation techniques and tools are needed that are able to both accurately and efficiently simulate such systems. When resolved simulations are needed, a coupling between the lattice Boltzmann method (LBM) for the fluid flow and the discrete element method (DEM) for the particle dynamics is among the best choices, and such a coupling is presented in this work: LBDEM coupling creates a bridge between two well-established open-source codes, Palabos for the LBM and LIGGGHTS for the DEM. After a short introduction, the theoretical foundations are discussed: the theory of the LBM and the DEM, as well as coupling methodologies, are outlined with emphasis on the mathematical and algorithmic aspects. For the coupling, a set of validation cases is presented in a 2D implementation and the 3D simulation code. Good agreement with experiments and numerical results obtained by other methods is found for several cases. Further, parallel performance of the 3D implementation is discussed, and tests show that LBDEM coupling scales well for up to 256 cores. The application part of this thesis starts with a literature review on the behaviour of particulate suspensions in narrow channels. Starting from the Fåhræus-Lindkvist effect and the Segré-Silberberg effect, experimental and numerical results are summarized along with theoretical models for lateral forces on particles in narrow channels. The two following chapters present numerical simulations of particle motion in narrow channels follow. In the first of these two chapters, 2D simulations of a single circular particle of varying diameter in Poiseuille flow are presented. It is found that the focusing time of this particle scales like 1/Re, and that there are at least four different modes of migration towards the equilibrium position: monotonous, oscillating, overshooting, and channel crossing. In the second chapter on channel flow, the behaviour of a suspension of varying solid fraction in a square channel is investigated by means of 3D simulations. In such systems, equilibrium positions exist close to the channel faces and corners, and their stability depends on Reynolds number and solid fraction. At least two new patterns are found: At Re =60, 190, at a solid fraction of fs = 0.3% a secondary equilibrium position closer to the channel center appears at the channel faces. At Re = 310, 500, for single particles both face and corner positions are stable, however around fs = 0.1% the face equilibrium positions become unfavorable for the particles. Both these effects can be attributed to particle interactions. In a second application of LBDEM coupling, the behaviour of particle beds under turbulent shear flow, similar to what occurs in river beds, is investigated. Three different beds are considered: monodisperse (d = 1mm), bidisperse (d = 1, 2mm) and prolate ellipsoids with aspect ratio of 2 and the same volume as the smaller spheres. It was found that the monodisperse and ellipsoid beds behaved similarly, while in the bidisperse bed first the smaller particles were picked up by the flow, clearly before the larger particles start to move. In this work, LBDEM coupling has been proven to be an efficient and accurate simulation tool for the detailed simulation of fluid-particle systems.