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Entwicklung numerischer Methoden für die Simulation kompressibler, tropfendynamischer Vorgänge unter extremen Bedingungen

Beschreibung

Viele Mehrphasenströmungen sind immer noch eine Herausforderung sowohl für die physikalische und mathematische als auch für die numerische Modellierung. Dies gilt insbesondere für das Strömungsregime mit extremen thermodynamischen Umgebungsbedingungen, wie es in diesem SFB-TRR 75 betrachtet wird. In diesem Teilprojekt werden numerische Methoden für die direkte numerische Modellierung von einzelnen Tropfen unter Berücksichtigung der Kompressibilität der beteiligten Fluide entwickelt und implementiert. Dabei werden verschiedene Bausteine entwickelt, welche in das Rechenprogramm FS3D.comp eingehen. Um die numerische Modellierung hinsichtlich der thermodynamischen Bedingungen und Wechselwirkungsterme zu untersuchen und zu validieren, wird unter der Annahme von sphärischen Tropfen eine Testumgebung geschaffen. In dieser Umgebung können Modellierungsansätze schnell erprobt werden.

Eine direkte Simulation der Strömung mit Tropfen benötigt mehrere Bausteine: den Strömungslöser für kompressible Mehrkomponentenströmungen mit realen Zustandsgleichungen, Methoden zur Kopplung der unterschiedlichen Fluide und Algorithmen zur Verfolgung der Material- oder Phasengrenze. In diesem Projekt wird die Sharp-Interface-Kopplung der Phasen-Material-grenze untersucht, welche über die Ghost-Fluid-Methode realisiert werden soll. Die Identifikation der Materialgrenze wird durch den Level-Set Ansatz ausgeführt. Es wird hier ausgenutzt, dass dieser Ansatz die Position, die Krümmung und die Normale der Materialgrenze in sehr guter Qualität berechnet. Die Level-Set-Gleichung und die Strömungsgleichungen werden mit einem Discontinuous-Galerkin-Verfahren behandelt, bei dem lokal die Auflösung durch h-p Adaption verbessert werden kann. Das numerische Verfahren muss für die geplanten Anwendungen das volle kompressible Zweiphasen-Strömungsregime beherrschen und beim Überschreiten des kritischen Punktes das Auflösen der Phasengrenze nachvollziehen können.

Die wesentlichen Forschungsthemen des TP-A2 sind in den ersten beiden Förderungsperioden fokusiert auf die numerische Modellierung der thermodynamischen Beziehungen an der Oberfläche eines Tropfens und die Implementierung in das Rechenprogramm FS3D.comp. Eine essentielle Zusammenarbeit besteht mit Thermodynamik, Mathematik und Chemie.

Team

Team A2

Prof. Dr. rer. nat. Claus-Dieter Munz

Prof. Dr. rer. nat. Claus-Dieter Munz

Vorstand | Leiter Projektbereich A | TP-Leiter A2 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 711 685-63433
Steven Jöns, M.Sc.

Steven Jöns, M.Sc.

A2 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 711 685-63423
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Publikationen

2017

Hempert, F., Boblest, S., Ertl, T., Sadlo, F., Offenhäuser, P., Glass, C.W., Hoffmann, M., Beck, A.,  Munz, C.-D., Iben, U.:
Simulation of real gas effects in supersonic methane jets using a tabulated equation of state with a discontinuous Galerkin spectral element method.
Comput. Fluids 145: 167-179, 2017.

Fechter, S., Munz, C.-D., Rohde, C., Zeiler, C.:
A sharp interface method for compressible liquid-vapor flow with phase transition and surface tension.
J. Comput. Phys. 336: 347-374, 2017.

Fechter, S., Munz, C.-D., Rohde, C., Zeiler, C.:
Approximate Riemann solver for compressible liquid vapor flow with phase transition and surface tension,
Comput.Fluids, http://dx.doi.org/10.1016/j.compfluid.2017.03.026, 2017.

2016

Hitz, T., Fechter, S., Munz, C.-D.:
Simulation of Evaporating Droplets Within A Discontinuous Galerkin Multi-Scale Framework.
Proceedings of the ICMF 2016, Florence, Italy, 2016.

2015

S. Fechter, C.-D. Munz.
A discontinuous Galerkin-based sharp-interface method to simulate three-dimensional compressible two-phase flow,
International Journal for Numerical Methods in Fluids 78(7), 413–435, 2015.

S. Fechter, C.-D. Munz, C. Rohde, C. Zeiler.
A sharp interface method for compressible liquidvapor flow with surface tension,
submitted to J. Comput. Phys. 2015.

S. Fechter, C.-D. Munz, C. Rohde, C. Zeiler.
Approximate Riemann solver for compressible liquid vapor flow with phase transition and surface tension,
Preprint 2015.

S. Fechter.
Compressible multi-phase simulation at extreme conditions using a discontinuous Galerkin scheme.
Dissertation University of Stuttgart, 2015.

T. Hitz, S. Fechter, C.-D. Munz.
Treatment of Phase Transitions Across a Sharp Interface Within a Discontinuous Galerkin Multi-Scale Framework.
Proceedings of the ICLASS 2015, Tainan, Taiwan, August 2015.

2013

Fechter, S., Jaegle, F. und Schleper, V
Exact and approximate Riemann solvers at phase boundaries
Computers and Fluids 75 (2013), 112-126. DOI: 10.1016/j.compfluid.2013.01.024

2012

Jaegle, F., Zeiler, C., Rohde, C
A multi-scale algorithm for compressible liquid-vapor flow with surface tension
ESAIM Proceedings 38 (2012), 387-408

Hindenlang, F., Gassner, G., Altmann, C., Beck, A., Staudenmaier, C., Munz, C.-D
Explicit discontinuous Galerkin methods for unsteady problems
Computers and Fluids 61 (2012), 86-93.

Karch, G.K., Sadlo, F., Weiskopf, D., Munz, C.-D., Ertl, T
Visualization of Advection-Diffusion in Un- steady Fluid Flow
Computer Graphics Forum 31 (2012), 1105–1114

Fechter, S., Jaegle, F., Boger, M., Zeiler, C., Munz, C.-D., Rohde, C
A discontinuous Galerkin based multiscale method for compressible multiphase flow.
ICCFD 2012, 7th International Conference on Computational Fluid Dynamics, Hawaii, USA, 2012

Fechter, S., Jaegle, F., Boger, M., Munz, C.-D
Direct numerical simulation of compressible multiphase flow using a discontinuous Galerkin based multiscale approach.
ICLASS 2012, 12th International Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Heidelberg, Germany, 2012

2011

Ferrari, A., Munz, C.-D., Weigand, B
A High Order Sharp-Interface Method with Local Time Stepping for Compressible Multiphase Flows
Commun. Comput. Phys. 9 (2011), 205-230

Sadlo, F.,   Üffinger, M., Pagot, C., Osmari, D., Comba, J., Ertl, T., Munz, C.-D., Weiskopf, D.:
Visualization of Cell-Based Higher-Order Fields.
Comput.Sci. Eng. 13: 84-91, 2011.

2007

Gassner, G., Lörcher, F., Munz, C.-D
A contribution to the construction of diffusion fluxes for finite volume and discontinuous Galerkin schemes
J. Comput. Phys. 224 (2007), 1049-1063

Freitag, November 15, 2019