Towards the Statistical Evaluation of Phase-Changing Flows: The Development of a Framework for Large-Scale Interface-Resolved Simulations

Diese Arbeit präsentiert die Entwicklung und Anwendung einer Methodik, die die numerische Untersuchung siedender Strömungen ermöglicht. Aufgrund seiner Komplexität ist das Siedephänomen noch nicht vollständig untersucht und Gegenstand der aktuellen Forschung. Häufig sind experimentelle Messungen siedender Strömungen schwer umsetzbar, weshalb grenzflächenauflösende Simulationen einen vielversprechenden Ansatz darstellen, um ein tieferes Verständnis zu erlangen. Des Weiteren weisen Simulationen mit der Reynolds-Zeitmittelung Genauigkeitsprobleme auf, da empirische Modelle zur Blasengrößenverteilung in siedenden Strömungen nur eingeschränkt anwendbar sind. In dieser Hinsicht könnten Blasenstatistiken aus grenzflächenauflösenden Simulationen zur Verbesserung dieser Modelle eingesetzt werden. Jedoch sind grenzflächenauflösende Simulationen von Siedephänomen in der Umsetzung aufgrund ihres hohen rechnerischen Aufwands und der Notwendigkeit spezialisierter Lösungsmethoden anspruchsvoll. Im Hinblick auf diese Schwierigkeiten soll eine effiziente und konsistente Methodik zur grenzflächenauflösenden Simulation siedender Strömungen entwickelt werden, die eine statistische Auswertung lokaler Blasenereignisse ermöglicht. In dieser Arbeit wird die "Accurate Conservative Diffuse Interface" (Abk. ACDI, engl. genaue konservative diffuse Grenzfläche) Methodik zur numerischen Beschreibung der Phasengrenzfläche verwendet. Gegenüber anderen Methoden zur Simulation von Phasengrenzflächen zeichnet sich die ACDI-Methodik durch eine Vielzahl numerischer Vorteile aus. Allerdings wurde ACDI bisher nicht auf komplexe Siedevorgänge angewandt. Um dies zu ermöglichen, wird eine Reihe von notwendigen numerischen Verfahren entwickelt. Dazu zählen unter anderem: (i) das Untersuchen der Transportgleichungen, wobei zusätzliche Beiträge in der Impulsbilanz identifiziert wurden, die jedoch oft vernachlässigt werden; (ii) die Entwicklung eines Drucklösungsverfahrens, das die Verwendung von "Fast Fourier Transformations" (Abk. FFT, engl. schnelle Fourier-Transformation) ermöglicht; und (iii) die Modellierung des Phasenübergangs für die ACDI-Methode. Schließlich wird die Simulationssoftware einer Reihe einschlägiger Literaturtests unterzogen. Diese Tests reichen von einfachen, eindimensionalen Grenzflächensimulationen bis hin zu komplexen Simulationen von Blasen im dreidimensionalen Raum. Hier kann gezeigt werden, dass die zusätzlichen Beiträge der Impulsbilanz eine wichtige Rolle bei dem genauen Simulieren des Drucksprungs durch den Phasenübergang spielen. Zusätzlich werden mit diesen Beiträgen präzisere Vorhersagen über die Blasendynamik ohne Phasenübergang erhalten. Der Drucklöser zeigt im Vergleich zu bisherigen FFT-Verfahren den Vorteil, dass durch den Phasenübergang zusammen mit hohen Dichteunterschieden keine Druckoszillationen entstehen. Die numerischen Tests zeigen außerdem, dass das entwickelte Modell des Phasenübergangs verlässliche Ergebnisse liefert und keine simulationsabhängigen Parameteranpassungen erfordert. Durch den Vergleich mit experimentellen Daten wird gezeigt, dass die Simulationssoftware ein geeignetes Werkzeug darstellt, um technisch relevante Strömungen zu simulieren. Hierfür wird auch die Skalierbarkeit des Simulationscodes auf Hochleistungsrechnern nachgewiesen. Als eine technisch relevante Strömung wird Blasensieden in einer turbulenten Rechteckkanalströmung simuliert und ausgewertet. Diese Anwendung der ACDI-Methodik ist in der Literatur neu. Für die Auswertung der so entstandenen Blasendaten wird ein spezielles Verfahren entwickelt, bei dem Blasenzellen konstruiert und gruppiert werden. Dieses Verfahren verwendet das Voronoi-Diagramm, um eine konsistente Definition einer Blasenzelle zu ermöglichen, die für die Ermittlung volumengemittelter Daten erforderlich ist. Der Gruppierungsschritt hat die einzigartige Eigenschaft, dass auch instantane Blasenstatistiken ausgewertet werden können. Die Blasengruppierung hat auch den Vorteil, dass die Stichprobengröße für eine lokale Blasenstatistik drastisch erhöht wird. Besonders wichtig ist diese Eigenschaft für Daten grenzflächenauflösender Simulationen, da die Ausführung der Software rechnerisch aufwendig ist. Zusammengefasst hat diese Arbeit zur Bereitstellung eines geeigneten Softwarepakets geführt, das künftig zur weiteren Untersuchung von siedenden Strömungen verwendet werden kann.