Lattice-Boltzmann-Verfahren auf parallelen Hochleistungsrechnern für die Berechnung des Massen- und Impulstransportes schaumfähiger Produkte in Packungskolonne.
Motivation
Die Verarbeitung schaumfähiger Produkte ist wichtiger Bestandteil vieler industrieller Prozesse. Häufig 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. In diesem Teilprojekt soll dieses Verständnis mittels direkter numerischer Simulation von Schaumbildungs- und Schaumzerstörungseffekten erlangt werden.
Forschungsziel und Arbeitshypothese
Die Arbeitshypothese des Teilprojektes besagt, dass moderne mesoskopische Simulationsverfahren bei der Entwicklung schaumvermeidender Prozesse helfen. Um die der Schaumentstehung 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 für Systemsimulation an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg entwickelt. Schwerpunkt der Software ist dabei die Simulation von Fluiden mit der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM). Diese eignet sich aufgrund Ihrer hohen Effizienz und hervorragenden Parallelisierbarkeit insbesondere für die Simulation komplexer strömungsmechanischer Prozesse, wie beispielsweise mehrphasige Strömungen.
Versuche, Modelle und Ansätze
Ein erstes Ziel des Projektes stellt die Erweiterung und Optimierung 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 Teilprojekt 1 und Teilprojekt 8 werden die Simulationsergebnisse analytisch bzw. 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.
Abbildungen
Die Abbildungen zeigen eine LBM Simulation von 1000 aufsteigenden Blasen in Mineralöl. Die Initialisierung der Blasen erfolgte mit verschiedenen Durchmessern im Bereich 4-10 mm und in einer zufälligen Verteilung im 310x310x325 mm³ großen Simulationsgebiet.
Forschungsstelle
Lehrstuhl für Systemsimulation LSS
Department Informatik
Universität Erlangen-Nürnberg
Leiter: Prof. Dr. Ulrich Rüde
Projektleiter: Christoph Schwarzmeier, M. Sc.
