Schlüsselwörter
(Deutsch)
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TP0075;F-Verbrennung
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Lattice-Boltzmann Simulationsmethoden für chemisch reaktive Systeme im Mikrobereich
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Eine neue Annäherung fuer die rechnenunterstuetzte Stroemungsdynamik an einer Mikrometerskala wird hergeleitet. Diese Annäherung basiert auf die Entwicklung sogenannten Boltzmann Gitter-Modellen (Lattice Boltzmann Method) der Boltzmann kinetischen Gleichung. Sowohl die thermischen, als auch die isothermi-schen Modellen wedren dargestellt. Die Fortsetzung der Arbeit in dieser Richtung im Jahr 2005 hat die folgen-den Ergebnisse gebracht: 1. Das Modell für mehr-phasige Strömungen wurde entwickelt, und für die zweikomponenten Mischungen von Gasen implementiert und getestet. 2. Ein rechnerisch effizientes drei-dimensionales Modell für isotherme Strömungen wurde entwickelt und an mehreren „benchmark“-Problemen getestet. Dieses Modell zeigt numerische Stabilität und ist deshalb sehr wichtig bei hohen Reynoldsche Zahl Simulationen. Durch die speziellen Modifikationen (zum Beispiel, Rand Bedingungen) ist es gelungen, effiziente Simulationen in Angriff zu nehmen (siehe Publikationsliste). 3. Ein drei-dimenzionales thermishes Modell wurde entwickelt und realisiert in einigen benchmark Strömungen. Theoretischen Fragen sind dabei vollständig geklärt, wie der Herleitung von Lattice Boltzmann Methode aus den molekularen Theorien (Boltzmann kinetischen Gleichung), so wie die praktischen Fragen der effektiven Anwendung. Das mikroskopisch abgeleitetes thermisches Modell verbessert im Wesentlichen die frühere Ergebnisse der isothermalen Modelle. Diese Modellen ersetzen kostspielige mikroskopische Simulationtechniken wie kinetisches Monte-Carlo und/oder molekulare Dynamik für niedrige Mach-Zahl und moderate Knudsen-Zahl zu ersetzen. Die Ergebnisse wurden in zwölf Publikationen und Preprints dargestellt. Es eröffnen sich die Möglichkeiten, Strömungen in Mikrokanälen und poröse Medien effizient zu rechnen, was für zukünftige Komponenten von Energiewandlern (Reformer, Katalysatoren, Mikrobrenner, Brennstoffzellen usw.) von grosser Bedeutung ist.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Labor für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme, ETH Zürich, IET-LAV
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Boulouchos,Konstantinos
Frouzakis,Christos
Karlin,Ilya
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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In Rahmen dieses gerade abgeschlossenen Projektes, wird eine neue Annäherung für die rechenunterstützte Strömungsdynamik an einer Mikrometerskala entwickelt. Diese Annäherung basiert auf den sogenannten Boltzmann Gitter-Modellen (Lattice Boltzmann Method) der Boltzmann-kinetischen Gleichung. Als Ergebnisse des Projektes, sind folgende Ziele erreicht worden:
1. Die komplette Klasse von neuen und numerisch stabilen Lattice Boltzmann Modellen mit mehreren Geschwindigkeiten der Teilchen ist hergeleitet und mathematisch bewiesen.
2. Rechnerisch effiziente dreidimensionale Modelle für isotherme Strömungen wurden entwickelt und dazugehörige effiziente parallele Computerprogramme an mehreren Problemen getestet. Diese Modelle zeigten numerische Stabilität und sind deshalb sehr wichtig für die Simulation bei höheren Reynolds-Zahlen, wie sie in turbulenten Strömungen vorherrschen. Durch die speziellen Modifikationen (zum Beispiel Outflow Randbedingungen) ist es gelungen, effiziente Simulationen in Angriff zu nehmen.
3. Ein dreidimensionales thermisches Modell wurde weiter entwickelt und realisiert in einigen „benchmark“ Strömungen (zum Beispiel die Rayleigh-Benard Strömung). Es ist auch gelungen die Strömungen mit erheblichen Temperatur- und Dichteschwankungen mit diesem Modell zu beschreiben.
4. Das Modell für Strömungen mit mehreren Komponenten wurde entwickelt, implementiert und getestet.
5. Die neuen Modelle wurden auch zur Beschreibung von Strömungen von verdünnten Gasen angewendet.
6. Eine Methode zur Reduktion komplexer Reaktionsmechanismen wurde entwickelt und getestet für zukünftige Verbrennungsanwendungen.
Theoretische Fragen sind dabei vollständig geklärt, wie die längst nötige stabile Lattice Boltzmann Modellen auf grössere Gittern, und die praktischen Fragen der effektiven Anwendung. Das mikroskopisch abgeleitete thermische Modell verbessert im Wesentlichen die früheren Ergebnisse der isothermalen Modelle, was unter anderem mit einer neuen Klasse der exakten Lösungen bewiesen wurde. Diese sehr effizienten Modelle ersetzen kostspielige mikroskopische Simulationstechniken wie kinetisches Monte-Carlo und/oder molekulare Dynamik für niedrige Mach-Zahl und moderate Knudsen-Zahl. Die Ergebnisse wurden in insgesamt 30 Publikationen und Preprints dargestellt.
Durch diese Ergebnisse eröffnen sich neue Möglichkeiten, Strömungen in Mikrokanälen und poröse Medien effizient zu rechnen, was für zukünftige Komponenten von Energiewandlern (Reformer, Katalysatoren, Mikrobrenner, Brennstoffzellen usw.) von grosser Bedeutung ist. Die damit entstandenen neuen Simulationsmöglichkeiten sind bereits weiter ausgebaut in Rahmen unseren CCEM-CH Projekten „CEMTEC“.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Labor für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme, ETH Zürich, IET-LAV
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Karlin,Ilya
Frouzakis,Christos
Boulouchos,Konstantinos
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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The goal of this project was to develop novel efficient models and computational algorithms for complicated physical and chemical processes in fluid flows far from equilibrium. Our specific focus is on non-isothermal compressible flows at a micrometer scale. Such flows are typical in many current problems of aero-thermo-chemistry at a micron scale, and further complications arise due to chemical reactions, both in the bulk flow and on the surface (heterogeneous catalytic reactions). Rarefaction is characterized by Knudsen number, Kn, the ratio of the mean free path of molecules to a characteristic variation of hydrodynamic fields (density, momentum, temperature). Moderate values of Kn (up to 1) are most important for industrial applications and at the same time too difficult for both continuous hydrodynamic models and the purely molecular-dynamics approaches. Within this project, we aimed at developing the Entropic Lattice Boltzmann Models which are capable of replacing both the heuristic continuous mechanic models and computationally intensive molecular models.
The goals of the project were the following:
1. To give a derivation of the multi-speed lattice Boltzmann models which would enhance accuracy of the present standard models and allow for a novel class of simulations of thermal and multiphase flows.
2. To massively increase the efficiency of three-dimensional simulations.
3. To develop the lattice Boltzmann models for multi-component mixtures.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Labor für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme, ETH Zürich, IET-LAV
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Karlin,Ilya
Frouzakis,Christos
Boulouchos,Konstantinos
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