Andreas Hölzer

Bestimmung des Widerstandes, Auftriebs und Drehmoments und Simulation der Bewegung nichtsphärischer Partikel in laminaren und turbulenten Strömungen mit dem Lattice-Boltzmann-Verfahren

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) genehmigt durch Zentrum für Ingenieurwissenschaften der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 03.12.2007

Abstract
In dieser Arbeit werden mit dem Lattice-Boltzmann-Verfahren dreidimensionale numerische Simulationen von partikelbeladenen Strömungen durchgeführt. Es werden die Widerstands-, dynamischen Auftriebs- und Drehmomentenbeiwerte von nichtsphärischen Einzelpartikeln verschiedener Formen als Funktion des Anströmwinkels und der Reynolds-Zahl unter folgenden Strömungsbedingungen bestimmt: ein feststehendes Partikel in einer gleichförmigen Strömung, ein rotierendes Partikel in einer gleichförmigen Strömung sowie ein feststehendes Partikel in einer linearen Scherströmung. Aus den numerischen Ergebnissen und experimentell ermittelten Literaturdaten wird eine neue Korrelationsformel für den Standard-Widerstandsbeiwert nichtsphärischer Partikel aufgestellt, die die Partikelorientierung über den gesamten unterkritischen Reynolds-Zahlen-Bereich berücksichtigt. Des Weiteren werden der Einfluss der Wechselwirkung zwischen zwei Kugeln auf deren Partikelbeiwerte und der Einfluss der Turbulenz auf die Bewegung von nichtsphärischen Partikeln bestimmt.
Die in dieser Arbeit ermittelten Zusammenhänge zwischen der auf Partikeln wirkenden Widerstandskraft, dynamischen Auftriebskraft und des Drehmoments und verschiedenen Strömungsbedingungen sollen einen Beitrag zur Verbesserung des Verständnisses der Partikelbewegung in laminaren und turbulenten Strömungen leisten. Sie stellen des Weiteren eine Basis für die Weiterentwicklung Lagrangescher Simulationen der Bewegung nichtsphärischer Partikel dar.

Three-dimensional numerical simulations of particle-laden flows have been performed using the Lattice Boltzmann method. The drag, lift and moment coefficients of differently shaped non-spherical single particles have been determined as a function of the angle of incidence and the Reynolds number under following flow conditions: a stationary particle in a uniform flow, a rotating particle in a uniform flow and a stationary particle in a linear shear flow. A new correlation formula for the standard drag coefficient of arbitrary shaped particles has been established using the numerical results and experimental data from the literature. This new correlation formula accounts for the particle orientation over the entire range of subcritical Reynolds numbers. Furthermore, the influence of the interaction between two spheres on their particle coefficients and the influence of turbulence on the motion of non-spherical particles have been determined.
The relationships between the drag force, lift force and torque acting on particles and different flow conditions determined in this work shall make a contribution to the enhancement of the understanding of the motion of particles in laminar and turbulent flows. In addition, they can be used as a basis for the further development of Lagrange’ simulations of the motion of non-spherical particles.

Keywords:
Strömungswiderstand, Auftrieb, Drehmomentenbeiwert, Nichtsphärische Partikel, Lattice-Boltzmann, Partikelbeladene Strömungen

Drag, Lift, Moment coefficient, Non-spherical particles, Lattice Boltzmann, Particle-laden flows

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Vorwort, Inhaltsverzeichnis, Symbolverzeichnis (4, i-vi)
1 Einleitung (1-4)
2 Numerische Methode (5-22)
3 Widerstandskraft, Auftriebskraft und Drehmoment eines Einzelpartikels (23-65)
4 Korrelationsformel für den Standard-Widerstandsbeiwert (66-75)
5 Wechselwirkung zwischen zwei Kugeln (76-91)
6 Einfluss von Turbulenz auf die Partikelbewegung (92-106)
7 Zusammenfassung (107-111)
8 Summary (112-116)
Literaturverzeichnis (117-128)
Veröffentlichungen