2002 - Numerische Strömungssimulation mittels Lattice Boltzmann Verfahren


Die Berechnung von Strömungen erfolgt klassischerweise durch numerisches Lösen der Navier-Stokes-Gleichungen, beispielsweise nach dem Finite-Volumen-Verfahren. 

Im Rahmen diese Projektes wurde eine andere Methode zur Strömungsberechnung gewählt, die auf statistischer Physik, den sogenannten Zellulären Automaten, welche im diskreten Lattice-Gas-Verfahren verwendet werden, beruht. Eine Abwandlung davon ist die Lattice-Boltzmann-Methode, bei welcher kleine Fluid-Pakete mit lokalen Geschwindigkeitsverteilungen in diskreten Zeitschritten in diskrete Raumrichtungen bewegt werden. 

Gegenüber den in kommerziellen Programmen überwiegend angewandten Finite-Volumen-Solvern bieten sich einige Vorteile:


Die Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) zeichnet sich etwa dadurch aus, dass keinerlei Einschränkungen seitens der Geometrie-Diskretisierung vorhanden sind, außerdem können Geometrien auch als Voxel-Information beispielsweise aus NMR-Untersuchungen übernommen werden. Die Methode ist numerisch einfach(er) zu implementieren, nicht-iterativ und voll zeitaufgelöst, sodass auch instationäre Phänomene berechnet werden können.

Mit Einschränkungen sind auch weitere Funktionalitäten implementierbar, wie chemische Reaktionen und Stoffaustausch-Phänomene.

Das Lattice-Boltzmann-Verfahren eignet sich besonders gut zur sehr fein aufgelösten Simulation poröser Medien. Mit Hilfe eines eigens entwickelten Schüttungsgenerators können die komplexen Geometrien von regellosen Schüttungen beliebiger Füllkörper erzeugt werden, durch die am Computer generierte Geometrie lässt sich mittels des LBM-Solvers die Strömung berechnen.

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