Abstract:
In dieser Arbeit wird eine thermische Lattice-Boltzmann-Methode (TLBM) für die instationäre Simulation turbulenter Strömungen mit natürlicher Konvektion und konjugierter Wärmeübertragung vorgestellt. Turbulente Strömungen mit ihren chaotischen Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen stellen eine besondere Herausforderung für numerische Simulationen dar, wobei turbulente Strömungen, angetrieben durch thermische Auftriebskräfte, eine besonders schwierige Aufgabe darstellen. Wie in dieser Arbeit gezeigt wird, ermöglicht TLBM Large Eddy Simulationen (LES) solcher Probleme im industriellen und technischen Maßstab unter Verwendung eines Smagorinsky-Feinstruktur-Modells und unter Ausnutzung seiner intrinsischen Parallelisierbarkeit sowie der Möglichkeit, mehrere tausend Prozessorkerne zu verwenden. ... mehrDie Eignung der vorliegenden Methode wird in dieser Arbeit anhand von Anwendungen zur Simulation der Innenluftströmung und der Isolationseffizienz eines Kühlwagens, des Wärmetransports im Luftspalt zwischen Rotor und Stator bei Elektromotoren, der Weiterentwicklung hocheffizienter Isolation auf der Basis von Vakuumisolationspaneelen (VIP) und Latentwärmespeichern sowie deren Anwendung in Kühlwagen gezeigt.
Eine umfassende Validierung der Methode und ihrer Implementierung im Open-Source-Framework OpenLB wird durchgeführt. Gitterkonvergenz zweiter Ordnung wird gegen das analytische Porous Plate Problem demonstriert, während stabile Simulationen auch bei grober Diskretisierung mit hohen Reynolds- und Rayleigh-Zahlen erreicht werden. Eine sehr gute Übereinstimmung wird für natürliche Konvektion in einem quadratischen Hohlraum, ein bekannter Benchmark-Fall, vom laminaren zum turbulenten Regime mit 10^3 <= Ra <= 10^10 und bei Auflösungen von y+ ~ 2 gezeigt.
Im ersten Teil der Ergebnisse werden Simulationen eines leeren Kühlaufbaus für einen Kühllastwagen vorgestellt. Das Strömungsfeld und der Wärmeübergang innerhalb eines gegebenen Kühllastwagens zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen, insbesondere den experimentellen Daten für ein Kühlfahrzeug bei Re ~ 53000 an vier charakteristischen Geschwindigkeits- und 13 Temperaturpositionen im Lastwagen. Die Wärmeübertragung durch die Wände wird in den Simulationen durch konjugierte Wärmeübertragung aufgelöst. Dies ermöglicht nun die präzise Vorhersage von Wärmeströmen nahe von Nusselt-Korrelationen für den gegebenen Aufbau, aber - im Gegensatz zu gewöhnlichen Nusselt-Korrelationen - wird der Wärmestrom in der Simulation räumlich aufgelöst.
Im zweiten Teil der Ergebnisse wird die Strömung und der Wärmeübergang in einem Ringspalt mit innen rotierendem Zylinder untersucht. Die besondere Herausforderung bei der Simulation dieser Taylor-Couette-Strömung ist die Bildung von Taylor-Wirbeln, die durch ihre Rotation senkrecht zur Hauptströmungsrichtung den entsprechenden Wärmeübergang deutlich erhöhen. Detaillierte instationäre Simulationen werden über einen weiten Drehzahlbereich von fast schleichender Strömungen bis hin zum Auftreten von Taylor-Wirbeln durchgeführt. Es wird eine gute Übereinstimmung mit bisherigen Ergebnissen für die Strömungsstrukturen und die Verbesserung des Wärmeübergangs durch Taylor-Wirbel festgestellt. Insbesondere wird die vorliegende Methode mit Messungen, einer Korrelation und Simulationen unter Verwendung des Scherspannungstransport-Turbulenzmodells (SST) verglichen. Besonderes Augenmerk wird auf die Vorhersage der kritischen Taylor-Zahl gelegt. Während direkte numerische Simulationen (DNS) mit LBM die kritische Taylor-Zahl aus den Experimenten nahezu identisch vorhersagen, wird sie von LBM-LES leicht und vom SST-Modell weiter überschätzt, was auf die übermäßig dissipative Natur der Turbulenzmodelle für die Transition zurückzuführen ist.
Im dritten Teil der Ergebnisse werden innovative Konzepte für verbesserte, nachhaltigere Kühlfahrzeuge numerisch untersucht. Um den Kraftstoffverbrauch und die damit verbundenen Emissionen zu reduzieren, werden zwei Ansätze als vielversprechend angesehen: (a) der Einbau von Vakuum-Isolationspaneelen (VIP) in die Wände des Kühlkoffers und (b) die Einführung eines Latentwärmespeichers (LHS) zum Austausch der kraftstoffbetriebenen Klimaanlage (AC). Die Verwendung des vorliegenden TLBM erlaubt in den Simulationen die Auflösung der durch die AC und die natürliche Konvektion induzierten turbulenten Luftströmung, des Wärmeflusses innerhalb der Isolierwände und der tiefgefrorenen Ladung. Dies liefert neue Erkenntnisse über den Einfluss der Konzepte auf die Wärmeübertragung in verschiedenen Kühlaufbauten. Die Simulationen zeigen einen stark reduzierten und homogenisierten einströmenden Wärmestrom für das kombinierte PUR- und VIP-Isoliermaterial im Vergleich zu einer reinen PUR-Isolierung. Die Dämmung des Kühlaufbaus mit VIPs halbiert daher die erforderliche Kühlenergie. Dies ermöglicht den Ersatz der AC durch einen LHS in Dachnähe und ein zusätzliches Lüftungssystem mit deutlich geringerer Gesamtleistung. Unter Berücksichtigung der Temperaturhomogenität von Tiefkühlprodukten wird eine leichte Umströmung des Kühlgutes als notwendig erachtet. Die maximal zulässige Ausfallzeit der AC wird in den Simulationen mit jeweils ca. 3,3 min (PUR), 8 min (PUR+VIP) und 11 min (PUR+VIP+LHS) ermittelt.
Im vierten Teil der Ergebnisse wird eine LBM zur Simulation des Schmelzens und des konjugierten Wärmeübergangs auf der Basis des Transports der Gesamtenthalpie vorgestellt, welche bei Validierung gegen die analytische Lösung des zeitabhängigen Stefan-Problems präzise Ergebnisse liefert. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode zeigt geringe Grenzflächendiffusion für einen weiten Bereich von Relaxationszeiten und Stefan-Zahlen. Weiterhin wird eine enge Übereinstimmung für das Schmelzen von Gallium einschließlich der natürlichen Konvektion in 2D und 3D mit Messungen und Simulationen mit unterschiedlichen Ansätzen gezeigt. Das Modell wird ferner auf das Schmelzen von Paraffin in zwei komplexen Metallschaumgeometrien angewendet. Es wird eine Voxel-basierte parallele Vernetzung vorgestellt, die eine schnelle und automatisierte Verarbeitung der komplexen Geometrie in wenigen Minuten ermöglicht. Die Simulationen erfassen erfolgreich den materialübergreifenden Wärmetransfer in 3D, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Schaums mehr als 1000-mal größer als die des Paraffins ist. Die Form der Schmelzfront und der Einfluss der spezifischen Oberfläche der verschiedenen Metallschäume stehen in enger Übereinstimmung mit früheren Simulationen.
Abstract (englisch):
This thesis presents a thermal lattice Boltzmann method (TLBM) for the unsteady simulation of turbulent flows with natural convection and conjugate heat transfer. Turbulent flows with its chaotic pressure and velocity fluctuations pose a special challenge for numerical simulations, where thermal buoyancy driven turbulent flows represent a particularly difficult task. As shown in this work, TLBM enables large eddy simulations (LES) of such problems on industrial and engineering scale using a Smagorinsky sub grid scale model executed on several thousand processor cores leveraging its intrinsic parallelizability. ... mehrThe suitability of the present method is demonstrated in this thesis on the basis of applications to the simulation of the internal air flow and insulation efficiency of a refrigerated truck, heat transport in the air gap between the rotor and stator in electric motors, the advancement of highly efficient insulation based on vacuum insulation panels (VIP) and latent heat storage as well as their application in refrigerated trucks.
Extensive validation of the method and its implementation within the open source framework OpenLB is conducted. Second order grid convergence is demonstrated against the analytical porous plate problem, while stable simulations are achieved even for coarse discretization with high Reynolds and Rayleigh numbers. Very good agreement is shown for natural convection in a square cavity, a well-known benchmark case, from laminar to turbulent regime with 10^3 <= Ra <= 10^10 and at resolutions of y+ ~ 2.
In the first part of the results, simulations of an empty cooling body for a refrigerated truck are presented. The flow field and heat transfer within a given refrigerated truck shows very good agreement with measurement results, in particular experimental data for a refrigerated vehicle at Re ~ 53000 at four characteristic velocity and 13 temperature positions in the truck. The simulations resolve conjugate heat transfer through the insulation walls. This now allows to precisely predict heat fluxes close to Nusselt correlations for the given setup, but – in contrast to common Nusselt correlations - the heat flux is spatially resolved in the simulation.
In the second part of the results, flow and heat transfer in an annular gap with inner rotating cylinder is investigated. The particular challenge in the simulation of this Taylor-Couette flow is the formation of Taylor vortices, which, due to their rotation perpendicular to the main flow direction, significantly increase the corresponding heat transfer. Detailed unsteady simulations are performed over a wide rotational speed range from almost creeping flows to the occurrence of Taylor vortices. Good agreement with the previous results for the flow structure and the improvement of heat transfer by Taylor vortices is found. In particular, the present method is compared against measurements, a correlation and simulations using the shear stress transport (SST) turbulence model. Special attention is paid to the prediction of the critical Taylor number. While direct numerical simulations (DNS) with LBM predict the critical Taylor number from the experiments almost identically, the LBM-LES slightly overestimates it and the SST model further overestimates the occurrence of Taylor vortices, which can be attributed to the overly dissipative nature of the turbulence models for the transition to turbulent flow conditions.
In the third part of the results, innovative concepts for improved, more sustainable refrigerated vehicles are numerically investigated. In order to reduce fuel consumption and related emissions, two approaches are considered promising: (a) the inclusion of vacuum insulation panels (VIP) in the walls of the refrigerated body and (b) the introduction of a latent heat storage (LHS) to exchange fuel-driven air conditioning (AC). Using the present TLBM allows the resolution of turbulent air flow induced by the AC and natural convection, the heat flux inside the insulating walls and the deep frozen cargo in the simulations. This provides new insights into the influence of the concepts on heat transfer in different refrigerated bodies. The simulations show strongly reduced and homogenized incoming heat flow for the combined PUR and VIP insulation material compared to a pure PUR insulation. The insulation of the cooled structure using VIPs therefore halves the required cooling energy. This enables to replace the AC with an LHS mounted near the roof and an additional ventilation system with markedly lower overall capacity. Taking into account the temperature homogeneity of frozen products, a slight flow around the chilled goods is considered necessary. The maximum allowable downtime of the AC is determined in the simulations to be approximately 3.3 min (PUR), 8 min (PUR+VIP) and 11 min (PUR+VIP+LHS), respectively.
In the fourth part of the results, an LBM for the simulation of melting and conjugate heat transfer based on the transport of total enthalpy is presented, which yields precise results for a validation against the analytical solution of the time-dependent Stefan problem. The method developed in this work shows low interfacial diffusion for a wide range of relaxation times and Stefan numbers. Furthermore, close agreement for melting of gallium including natural convection in 2D and 3D with measurements and simulations using different approaches is demonstrated. The model is further applied to the melting of paraffin in two complex metal foam geometries. Voxel-based parallel meshing is presented, which allows fast and automated preprocessing of the complex geometry in a few minutes. The simulations successfully capture multi-domain heat transfer in 3D, with the thermal conductivity of the foam being more than 1000 times greater than that of the paraffin. The shape of the melt front and the influence of the specific surface areas of the different metal foams are in close agreement with previous simulations.
