Lattice-Boltzmann Verfahren auf parallelen Hochleistungsrechnern für die Berechnung des Massen- und Impulstransportes schaumfähiger Produkte in Packungskolonnen (LBMSchaum)

Third party funded individual grant


Acronym: LBMSchaum

Start date : 12.07.2018

End date : 11.07.2021

Extension date: 01.01.2022


Project details

Short description

Die Verarbeitung schaumfähiger Produkte ist wichtiger Bestandteil vieler industrieller Prozesse. In vielen Fällen soll dabei das Auftreten von Schäumen inhibiert werden, um negative Effekte auf Durchsatz, Trennleistung und andere Prozessparameter zu verhindern. In der Lebensmittelindustrie stellt unerwünschte Schaumbildung beispielsweise bei der Prozessierung von Milch, Zucker oder Getränkeprodukten eine Herausforderung dar. Maßnahmen zur Inhibierung dieser unerwünschten Schaumbildung hängen in entscheidender Form von den Möglichkeiten ab, die Mechanismen der Entstehung und der Stabilität des Schaumes besser zu verstehen, modellieren und prognostizieren zu können.
Ziel dieses Projektes ist es, dieses Verständnis mittels direkter numerischer Simulation von Schaumbildungs- und Schaumzerstörungseffekten zu erlangen. Um die dabei zugrunde liegenden komplexen physikalischen Prozesse und Gegebenheiten mit hoher Genauigkeit simulieren zu können, bedarf es hocheffizienter Algorithmen, die speziell auf die Architekturen moderner Supercomputer zugeschnitten sind. Die Simulationsumgebung waLBerla wird gezielt für derartige Anwendungsfälle am Lehrstuhl entwickelt. Schwerpunkt der Software ist dabei die Simulation von Fluiden mit der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM). Diese eignet sich aufgrund Ihrer hohen Effizienz und guten Parallelisierbarkeit insbesondere für die Simulation komplexer strömungsmechanischer Prozesse, wie beispielsweise mehrphasige Strömungen.
Ein erstes Ziel des Projektes stellt die Erweiterung der bereits vorhandenen LBM-Implementierung in waLBerla für die Simulation freier Oberflächen dar. Im Vordergrund steht dabei, das Berechnungsgitter im Bereich der Grenzfläche zwischen den verschiedenen Phasen adaptiv zu verfeinern und so die Effizienz der Software weiter zu steigern. Basierend auf dieser Erweiterung wird im weiteren Projektverlauf die Umströmung einzelner Körper simuliert, die aufgrund ihrer geometrischen Beschaffenheit eine Schaumbildung inhibieren sollen. In Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern werden die Simulationsergebnisse experimentell validiert. Die Geometrien dieser umströmten Körper werden dann mithilfe von Simulationen weiter im Hinblick auf Schauminhibierung optimiert. In einem weiteren Schritt werden die Simulationen auf Schüttungen von Füllkörpern erweitert. Basierend auf den Simulationsergebnissen, können Schüttungen derart optimierter Körper dann beispielsweise in Rektifikationskolonnen der Lebensmittelindustrie die Schaumbildung unterbinden.


Scientific Abstract

Die Verarbeitung schaumfähiger Produkte ist wichtiger Bestandteil vieler industrieller Prozesse. In vielen Fällen soll dabei das Auftreten von Schäumen inhibiert werden, um negative Effekte auf Durchsatz, Trennleistung und andere Prozessparameter zu verhindern. In der Lebensmittelindustrie stellt unerwünschte Schaumbildung beispielsweise bei der Prozessierung von Milch, Zucker oder Getränkeprodukten eine Herausforderung dar. Maßnahmen zur Inhibierung dieser unerwünschten Schaumbildung hängen in entscheidender Form von den Möglichkeiten ab, die Mechanismen der Entstehung und der Stabilität des Schaumes besser zu verstehen, modellieren und prognostizieren zu können.
Ziel dieses Projektes ist es, dieses Verständnis mittels direkter numerischer Simulation von Schaumbildungs- und Schaumzerstörungseffekten zu erlangen. Um die dabei zugrunde liegenden komplexen physikalischen Prozesse und Gegebenheiten mit hoher Genauigkeit simulieren zu können, bedarf es hocheffizienter Algorithmen, die speziell auf die Architekturen moderner Supercomputer zugeschnitten sind. Die Simulationsumgebung waLBerla wird gezielt für derartige Anwendungsfälle am Lehrstuhl entwickelt. Schwerpunkt der Software ist dabei die Simulation von Fluiden mit der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM). Diese eignet sich aufgrund Ihrer hohen Effizienz und guten Parallelisierbarkeit insbesondere für die Simulation komplexer strömungsmechanischer Prozesse, wie beispielsweise mehrphasige Strömungen.
Ein erstes Ziel des Projektes stellt die Erweiterung der bereits vorhandenen LBM-Implementierung in waLBerla für die Simulation freier Oberflächen dar. Im Vordergrund steht dabei, das Berechnungsgitter im Bereich der Grenzfläche zwischen den verschiedenen Phasen adaptiv zu verfeinern und so die Effizienz der Software weiter zu steigern. Basierend auf dieser Erweiterung wird im weiteren Projektverlauf die Umströmung einzelner Körper simuliert, die aufgrund ihrer geometrischen Beschaffenheit eine Schaumbildung inhibieren sollen. In Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern werden die Simulationsergebnisse experimentell validiert. Die Geometrien dieser umströmten Körper werden dann mithilfe von Simulationen weiter im Hinblick auf Schauminhibierung optimiert. In einem weiteren Schritt werden die Simulationen auf Schüttungen von Füllkörpern erweitert. Basierend auf den Simulationsergebnissen, können Schüttungen derart optimierter Körper dann beispielsweise in Rektifikationskolonnen der Lebensmittelindustrie die Schaumbildung unterbinden.


Involved:

Contributing FAU Organisations:

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