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

Drittmittelfinanzierte Einzelförderung


Details zum Projekt

Projektleiter/in:
Prof. Dr. Ulrich Rüde

Projektbeteiligte:
Christoph Schwarzmeier
Brajesh Kumar Singh

Beteiligte FAU-Organisationseinheiten:
Lehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation)

Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
Akronym: LBMSchaum
Projektstart: 12.07.2018
Projektende: 11.07.2021
Laufzeitverlängerung bis: 01.01.2022


Abstract (fachliche Beschreibung):



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.





Zuletzt aktualisiert 2019-15-04 um 10:46