Numerische Simulation von Erosion in kavitierenden Strömungen mit gekoppelten Euler-Lagrange Modellen

Ziel des Vorhabens ist die Weiterentwicklung und Anwendung eines numerischen Simulationsverfahrens zur Prognose von Erosion in kavitierenden Strömungen. Grundlage der Untersuchungen sind die kompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen für ein Gemisch zweier Phasen. Zur Simulation kavitierender Strömungen soll in dem beantragten Vorhaben ein Euler-Lagrange-Ansatz in einer erweiterten Zwei-Wege-Kopplung mit Blaseninteraktion eingesetzt werden. Dabei wird die Blasendynamik durch Integration der Rayleigh-Plesset-Gleichung und der Impulsgleichung für sphärische Kavitationsblasen bzw. Kavitationskeime beschrieben. In dem Projekt soll ein existierendes, validiertes, hybrid-paralleles Euler-Lagrange-Modell zur Simulation komplexer, inkompressibler kavitierender Strömungen in Bezug auf die Behandlung von kompressiblen Strömungen ergänzt werden. Die Analyse der zu erwartenden großen Dampfvolumenkonzentrationen wird durch die Erweiterung des existierenden Ansatzes um ein effizientes Blaseninteraktionsmodell unterstützt. Die Erosionsprognose erfolgt durch semi-empirische Erosionsmodelle, die sich auf Materialgrößen und die zeitliche Entwicklung lokaler Strömungs- und Blasenparameter abstützen. Die Untersuchungen berücksichtigen zwei unterschiedliche Erosionsursachen. Diese basieren auf der Modellierung der Strahlgeschwindigkeit von Mikroprallstrahlen, die beim Zusammenfall wandnaher Blasen auftreten, sowie auf der Bestimmung der Drucklasten aufgrund von Blasenimplosion im weiter von der Wand entfernten Bereich. Zur Gewährleistung der in praxisnahen Anwendungen benötigten Recheneffizienz soll der existierende hybrid-parallele MPI/OpenMP-Ansatz um multikriterielle Zerlegungstechniken sowie Techniken zur globalen Verfügbarkeit von Transferdaten für die Berechnung der Lagrangephase erweitert werden. Das Verfahren wird anhand von Versuchsergebnissen für Einzelblasen bzw. kleinere Blasengruppen in einfachen Geometrien, sowie experimentellen Untersuchungen zu quasi-zweidimensionalen Flügelgeometrien validiert. Abschließende Anwendungen behandeln Propellerumströmungen im Nachstrom.