Parallele Algorithmen für die numerische Simulation dreidimensionaler, disperser Mehrphasenströmungen und deren Anwendung in der Verfahrenstechnik

Medientyp: E-Book

Titel: Parallele Algorithmen für die numerische Simulation dreidimensionaler, disperser Mehrphasenströmungen und deren Anwendung in der Verfahrenstechnik

Weitere Titel: Parallele numerische Simulation disperser Mehrphasenströmungen Parallel numerical simulation of disperse multiphase flows
Übersetzter Titel: Parallel algorithms for the numerical simulation of 3-dimensional disperse multiphase flows and theire application in process technology

Beteiligte: Frank, Thomas [Verfasser:in]

Erschienen: Chemnitz: Technische Universität Chemnitz, [2002]

Sprache: Deutsch

ISBN: 3-8322-0532-2

Schlagwörter: Euler-Lagrange-Verfahren ; Gebietszerlegung ; Fluid-Partikel-Strömung ; CFD ; numerische Simulation ; Lastbalancierung ; Zweiphasenströmung ; Parallelrechner ; Disperse Strömung ; Fluid-Feststoff-Strömung ; Strömungsmechanik ; Mehrphasenströmung ; Partikel-Partikel-Kollision ; High Performance Computing ; Parallelisierung ; Partikel-Wand-Stoß ; Strömungstechnik

Entstehung:

Anmerkungen: Quelle: Shaker Verlag, Aachen, Juli 2002; ISBN: 3-8322-0532-2

Beschreibung: Many fluid flow processes in nature and technology are characterized by the presenceand coexistence of two ore more phases. These two- or multiphase flows are furthermorecharacterized by a greater complexity of possible flow phenomena and phase interactionsthen in single phase flows and therefore the numerical simulation of these multiphaseflows is usually demanding a much higher numerical effort. The presented worksummarizes the research and development work of the author and his research group on"Numerical Methods for Multiphase Flows" at the University of Technology, Chemnitz over thelast years. This work was focussed on the development and application of numericalapproaches for the prediction of disperse fluid-particle flows in the field offluid mechanics and process technology.A main part of the work presented here is concerned with the modelling of differentphysical phenomena in fluid-particle flows under the paradigm of the Lagrangian treatmentof the particle motion in the fluid. The Eulerian-Lagrangian approach has proved to be anespecially well suited numerical approach for the simulation of disperse multiphase flows.On the other hand its application requires a large amount of (parallel) computational powerand other computational ressources. The models described in this work give a mathematicaldescription of the relevant forces and momentum acting on a single spherical particle inthe fluid flow field, the particle-wall interaction and the particle erosion to the wall.Further models has been derived in order to take into account the influence ofparticle-particle collisions on the particle motion as well as the interaction of thefluid flow turbulence with the particle motion. For all these models the state-of-the-artfrom literature is comprehensively discussed.The main field of interest of the work presented here is in the area of development,implementation, investigation and comparative evaluation of parallelizationmethods for the Eulerian-Lagrangian approach for the simulation of disperse multiphaseflows. Most of the priorly existing work of other authors is based on shared-memoryapproaches, quasi-serial or static domain decomposition approaches. These parallelizationmethods are mostly limited in theire applicability and scalability to parallel computerarchitectures with a limited degree of parallelism (a few number of very powerfull computenodes) and to more or less homogeneous multiphase flows with uniform particle concentrationdistribution and minor complexity of phase interactions. This work now presents a novelparallelization method developed by the author, realizing a dynamic load balancingfor the Lagrangian approach (DDD - Dynamic Domain Decomposition) and therefore leadingto a substantial decrease in total computation time necessary for multiphase flowcomputations with the Eulerian-Lagrangian approach.Finally, the developed and entirely parallelized Eulerian-Lagrangian approach MISTRAL/PartFlow-3Doffers the opportunity of efficient investigation of disperse multiphase flows withhigher concentrations of the disperse phase and the resulting strong phase interactionphenomena (four-way coupling). ; Viele der in Natur und Technik ablaufenden Strömungsvorgänge sind durch dieKoexistenz zweier oder mehrerer Phasen gekennzeichnet. Diese sogenannten Zwei- oderMehrphasensysteme zeichnen sich durch ein hohes Maß an Komplexität aus underfordern oft einen sehr hohen rechentechnischen Aufwand zu deren numerischer Simulation.Die vorliegende Arbeit faßt langjährige Forschungs- und Entwicklungsarbeitendes Autors und seiner Forschungsgruppe "Numerische Methoden für Mehrphasenströmungen"an der TU Chemnitz zusammen, die sich mit der Entwicklung und Anwendung numerischerBerechnungsverfahren für disperse Fluid-Partikel-Strömungen auf dem Gebietder Strömungs- und Verfahrenstechnik befassen.Ein wesentlicher Teil der Arbeit befaßt sich mit der Modellierung unterschiedlicherphysikalischer Phänomene in Fluid-Partikel-Strömungen unter dem Paradigma der Lagrange'schenBetrachtungsweise der Partikelbewegung. Das Euler-Lagrange-Verfahren hat sich alsbesonders geeignetes Berechnungsverfahren für die numerische Simulation disperserMehrphasenströmungen erwiesen, stellt jedoch in seiner Anwendung auch höchsteAnforderungen an die Ressourcen der verwendeten (parallelen) Rechnerarchitekturen.Die näher ausgeführten mathematisch-physikalischen Modelle liefern eine Beschreibungder auf eine kugelförmige Einzelpartikel im Strömungsfeld wirkenden Kräfteund Momente, der Partikel-Wand-Wechselwirkung und der Partikelerosion. Weitere Teilmodelledienen der Berücksichtigung von Partikel-Partikel-Stoßvorgängen und derWechselwirkung zwischen Fluidturbulenz und Partikelbewegung.Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt im Weiteren in der Entwicklung, Untersuchung und vergleichendenBewertung von Parallelisierungsverfahren für das Euler-Lagrange-Verfahren zur Berechnung vondispersen Mehrphasenströmungen. Zuvor von anderen Autoren entwickelte Parallelisierungsmethodenfür das Lagrange'sche Berechnungsverfahren basieren im Wesentlichen auf Shared-Memory-Ansätzen,Quasi-Seriellen Verfahren oder statischer Gebietszerlegung (SDD) und sind somit in ihrerEinsetzbarkeit und Skalierbarkeit auf Rechnerarchitekturen mit relativ geringer Parallelitätund auf weitgehend homogene Mehrphasenströmungen mit geringer Komplexität der Phasenwechselwirkungenbeschränkt. In dieser Arbeit wird eine vom Autor entwickelte, neuartige Parallelisierungsmethodevorgestellt, die eine dynamische Lastverteilung für das Lagrange-Verfahren ermöglicht (DDD - DynamicDomain Decomposition) und mit deren Hilfe eine deutliche Reduzierung der Gesamtausführungszeiteneiner Mehrphasenströmungsberechnung mit dem Euler-Lagrange-Verfahren möglich ist.Im Ergebnis steht mit dem vom Autor und seiner Forschungsgruppe entwickelten vollständig parallelisiertenEuler-Lagrange-Verfahren MISTRAL/PartFlow-3D ein numerisches Berechnungsverfahren zur Verfügung,mit dem disperse Mehrphasenströmungen mit höheren Konzentrationen der dispersen Phase unddaraus resultierenden starken Phasenwechselwirkungen (Vier-Wege-Kopplung) effektiv untersuchtwerden können.

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