Automatic calculation and evaluation of flow in complex geometries using finite volume and lattice boltzmann methods

Trotz großen Fortschritts kann die numerische Strömungsmechanik (englisch Computational Fluid Dynamics, CFD) nicht als Blackbox-Verfahren verwendet werden, da Schritte wie die Gittergenerierung oder die Wahl numerischer Parameter vertiefte Kenntnisse der Theorie von CFD erfordert. Eine Verbesserung von CFD in Richtung einer Blackbox-Lösung würde nicht nur die Anwendungsbarriere verringern, weil weniger spezielles Wissen notwendig ist, sondern auch wissenschaftliche Erkenntnisse ermöglichen. Beispielsweise können viel mehr Datenpunkte erzeugt werden, die für die Entwicklung genauer Modelle für manche Fragestellungen notwendig sind. Diese Arbeit veranschaulicht die Vorteile einer automatisierten Berechnung anhand dreier beispielhafter Anwendungen: • Die genaue Vorhersage des Druckverlusts einer Kugelschüttung ist von großer Bedeutung in der Verfahrenstechnik. Für Schüttungen, bei denen die Kugeln relativ groß verglichen mit den Abmessungen des Behälters sind, spielt zudem der Wandeffekt eine wichtige Rolle. Viele Korrelationen, die üblicherweise auf experimentellen Messungen basieren, wurden in der Literatur vorgestellt, zeigen aber Abweichungen von ca. 20 % voneinander. Die Kombination von simulierter Generierung von Kugelschüttung und CFD wird hier verwendet, um den Druckverlust einer großen Anzahl von Kugelpackungen mit unterschiedlichen Kugeldurchmessern und für unterschiedliche Abmessungen des Behälters zu berechnen. Es wird gezeigt, dass der Druckverlust eine nicht-monotone Funktion für kleine Verhältnisse von Kugeldurchmesser zu hydraulischem Durchmesser des Reaktors ist, was die Abweichungen in den experimentellen Ergebnissen erklären kann. • Die Fischer-Tropsch-Synthese ist wieder von wachsendem Interesse, da sie die Herstellung von CO2 neutralen Treibstoffen erlaubt. Transportporen können genutzt werden, um den Stofftransport im benötigten Katalysator zu beschleunigen und somit auch die Ausbeute zu erhöhen. Ein eindimensionales Modell aus der Literatur wird in dieser Arbeit auf drei Dimensionen erweitert. Die Berechnung wird automatisiert wodurch die Katalysatorschichten algorithmisch optimiert werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass für Transportporen mit einem Durchmesser größer als 50 µm eine drei-dimensionale Betrachtung nötig ist. Größere Transportporen mit einem Durchmesser von bis zu 250 µm können ebenfalls verwendet werden, um die Ausbeute pro Zeit und Fläche zu erhöhen, erfordern aber dickere Katalysatorschichten und eine größere Transportporenporosität um die Nachteile der größeren Poren zu kompensieren. • Nasenscheidewandverkrümmungen sind sehr verbreitet in der Bevölkerung, aber es ist unklar, warum einige Betroffene Beschwerden entwickeln während andere hingegen keine Einschränkungen haben. Bisherige Arbeiten setzten den Schwerpunkt auf die Analyse einiger ausgewählter Fälle, was aufgrund der hohen natürlichen Variationen der Nasenscheidewand zu keinen klaren Ergebnissen führte. In dieser Arbeit wird ein vollautomatischer Ansatz zur Berechnung integraler Beiwerte wie Druckverlust und der Strömungsverteilung zwischen den beiden Atemwegen ausgehend von Computertomographie-Aufnahmen vorgestellt. Zusätzlich wird eine Methode zur Verringerung des Rechenaufwandes durch das Entfernen der Nasennebenhöhlen in den CT-Bildern basierend auf maschinellem Lernen vorgeschlagen. Für diesen Anwendungsfall kann die automatische Berechnung und Auswertung verwendet werden, um eine ganze Datenbank von CT-Aufnahmen in strömungsmechanische Kennziffern umzuwandeln, die für eine statistische Analyse verwendet werden können. Weiterhin könnte sie die Anwendung von CFD in der klinischen Praxis ermöglichen. Das Lattice-Boltzmann Verfahren (LBM) ist eine alternative Methode zu „klassischen“, Finite-Volumen basierten Lösern der Navier-Stokes-Gleichungen. Da es eine einfache Generierung von Gittern erlaubt, wird hier eine neue LBM-Implementierung verwendet um die Strömung durch die Kugelschüttung und Nasenhöhle zu berechnen. Die Implementierung bietet gute Portabilität zu unterschiedlichen Systemen und zu unterschiedlicher Hardware wie Grafikkarten (GPUs), die aufgrund ihrer Kosteneffektivität die Anwendbarkeit von CFD erhöhen. Sie kann außerdem Gitterverfeinerung verwenden und es wird ein Algorithmus zur Gittergenerierung, der auch für Grafikkarten geeignet ist, vorgestellt. Um den Flaschenhals langsamer Datenspeicher zu umgehen und die Auswertung zu vereinfachen, wird eine GPU basierte in-situ Verarbeitung implementiert. Der Anwendungsfall der Fischer-Tropsch-Synthese zeigt dennoch, dass „klassische“, Finite-Volumen basierte Löser wie OpenFOAM eine ebenso valide Wahl für automatische Berechnungen sind, wenn strukturierte Gitter verwendet werden. Außerdem ist es für einige Anwendungen einfacher, die Fragestellung mittels partieller Differenzialgleichungen zu modellieren, die mittels Finite-Volumen-Verfahren direkt gelöst werden können.