Towards the Statistical Evaluation of Phase-Changing Flows: The Development of a Framework for Large-Scale Interface-Resolved Simulations

Diese Arbeit präsentiert die Entwicklung und Anwendung einer Methodik, die die numerische Untersuchung siedender Strömungen ermöglicht. Aufgrund seiner Komplexität ist das Siedephänomen noch nicht vollständig untersucht und Gegenstand der aktuellen Forschung. Häufig sind experimentelle Messungen siedender Strömungen schwer umsetzbar, weshalb grenzflächenauflösende Simulationen einen vielversprechenden Ansatz darstellen, um ein tieferes Verständnis zu erlangen. Des Weiteren weisen Simulationen mit der Reynolds-Zeitmittelung Genauigkeitsprobleme auf, da empirische Modelle zur Blasengrößenverteilung in siedenden Strömungen nur eingeschränkt anwendbar sind. ... mehrIn dieser Hinsicht könnten Blasenstatistiken aus grenzflächenauflösenden Simulationen zur Verbesserung dieser Modelle eingesetzt werden. Jedoch sind grenzflächenauflösende Simulationen von Siedephänomen in der Umsetzung aufgrund ihres hohen rechnerischen Aufwands und der Notwendigkeit spezialisierter Lösungsmethoden anspruchsvoll. Im Hinblick auf diese Schwierigkeiten soll eine effiziente und konsistente Methodik zur grenzflächenauflösenden Simulation siedender Strömungen entwickelt werden, die eine statistische Auswertung lokaler Blasenereignisse ermöglicht. In dieser Arbeit wird die "Accurate Conservative Diffuse Interface" (Abk. ACDI, engl. genaue konservative diffuse Grenzfläche) Methodik zur numerischen Beschreibung der Phasengrenzfläche verwendet. Gegenüber anderen Methoden zur Simulation von Phasengrenzflächen zeichnet sich die ACDI-Methodik durch eine Vielzahl numerischer Vorteile aus. Allerdings wurde ACDI bisher nicht auf komplexe Siedevorgänge angewandt. Um dies zu ermöglichen, wird eine Reihe von notwendigen numerischen Verfahren entwickelt. Dazu zählen unter anderem: (i) das Untersuchen der Transportgleichungen, wobei zusätzliche Beiträge in der Impulsbilanz identifiziert wurden, die jedoch oft vernachlässigt werden; (ii) die Entwicklung eines Drucklösungsverfahrens, das die Verwendung von "Fast Fourier Transformations" (Abk. FFT, engl. schnelle Fourier-Transformation) ermöglicht; und (iii) die Modellierung des Phasenübergangs für die ACDI-Methode. Schließlich wird die Simulationssoftware einer Reihe einschlägiger Literaturtests unterzogen. Diese Tests reichen von einfachen, eindimensionalen Grenzflächensimulationen bis hin zu komplexen Simulationen von Blasen im dreidimensionalen Raum. Hier kann gezeigt werden, dass die zusätzlichen Beiträge der Impulsbilanz eine wichtige Rolle bei dem genauen Simulieren des Drucksprungs durch den Phasenübergang spielen. Zusätzlich werden mit diesen Beiträgen präzisere Vorhersagen über die Blasendynamik ohne Phasenübergang erhalten. Der Drucklöser zeigt im Vergleich zu bisherigen FFT-Verfahren den Vorteil, dass durch den Phasenübergang zusammen mit hohen Dichteunterschieden keine Druckoszillationen entstehen. Die numerischen Tests zeigen außerdem, dass das entwickelte Modell des Phasenübergangs verlässliche Ergebnisse liefert und keine simulationsabhängigen Parameteranpassungen erfordert. Durch den Vergleich mit experimentellen Daten wird gezeigt, dass die Simulationssoftware ein geeignetes Werkzeug darstellt, um technisch relevante Strömungen zu simulieren. Hierfür wird auch die Skalierbarkeit des Simulationscodes auf Hochleistungsrechnern nachgewiesen. Als eine technisch relevante Strömung wird Blasensieden in einer turbulenten Rechteckkanalströmung simuliert und ausgewertet. Diese Anwendung der ACDI-Methodik ist in der Literatur neu. Für die Auswertung der so entstandenen Blasendaten wird ein spezielles Verfahren entwickelt, bei dem Blasenzellen konstruiert und gruppiert werden. Dieses Verfahren verwendet das Voronoi-Diagramm, um eine konsistente Definition einer Blasenzelle zu ermöglichen, die für die Ermittlung volumengemittelter Daten erforderlich ist. Der Gruppierungsschritt hat die einzigartige Eigenschaft, dass auch instantane Blasenstatistiken ausgewertet werden können. Die Blasengruppierung hat auch den Vorteil, dass die Stichprobengröße für eine lokale Blasenstatistik drastisch erhöht wird. Besonders wichtig ist diese Eigenschaft für Daten grenzflächenauflösender Simulationen, da die Ausführung der Software rechnerisch aufwendig ist. Zusammengefasst hat diese Arbeit zur Bereitstellung eines geeigneten Softwarepakets geführt, das künftig zur weiteren Untersuchung von siedenden Strömungen verwendet werden kann.

The development and application of a framework for the numerical investigation of boiling phenomena is presented in this thesis. The phase-change mechanism of boiling is a highly complex physical phenomenon that, to date, is not fully understood and is subject to ongoing research. Since experimental measurements of boiling phenomena are challenging to implement, interface-resolved simulations present a promising approach to gain deeper insights. Furthermore, lower-order simulations lack accuracy due to the fundamental challenge of modelling the polydisperse nature of boiling flows. ... mehrBubble statistics from interface-resolved simulations could help to address this challenge. However, interface-resolved simulations of boiling flows involve high computational costs and advanced methods, which make them far from straightforward to implement. In light of these challenges, this thesis aims to develop an efficient and sophisticated framework for interface-resolved simulations of boiling flows that also allows for the consistent evaluation of statistical bubble data. The gas-liquid interface is represented by the \emph{accurate conservative diffuse interface} (ACDI) method. The ACDI method is deemed computationally advantageous over other interface-capturing methods in numerous applications. However, the application of ACDI to simulate complex boiling flows has not yet been explored. For this application, a range of necessary modifications is proposed in this thesis. These modifications include: (i) analyzing the system of transport equations, revealing that additional terms are required to achieve consistency in boiling flow scenarios; (ii) developing a pressure solution scheme that enables the use of \emph{fast Fourier transformations} (FFT); and (iii) modelling the mass transfer between the gas and the liquid phase. These developments are compared to numerous benchmarks in the literature through an extensive testing campaign. The testing campaign ranges from one-dimensional interface simulations to complex simulations of three-dimensional bubble dynamics. It is found that the proposed terms in the momentum transport equation are crucial for accurately capturing the \emph{recoil pressure} jump at interfaces subjected to phase change. Even in the absence of phase change, the accuracy improves significantly when using the proposed system of equations. Notably, the developed FFT pressure solver eliminates spurious pressure oscillations commonly encountered in the presence of high density ratios and phase change. In the testing campaign, the developed phase change model reliably yields accurate results without simulation-dependent parameter adjustments. Comparisons with experimental data demonstrate that the framework developed in this thesis is a suitable tool for efficiently simulating technically relevant boiling flows. It is shown that good code scalability on high-performance computing systems is achieved, which is essential for conducting large-scale simulations. In a final simulation, a novel application of the ACDI method for simulating nucleate boiling in a subcooled turbulent duct flow is presented. A grouped Voronoi analysis is proposed for the statistical evaluation of the resulting bubble data. This Voronoi analysis is found to provide a consistent definition of a bubble cell, which is required to derive statistics of volume-averaged quantities. In this thesis, the grouping of bubble cells is proposed, which allows the definition of instantaneous local bubble statistics. Moreover, grouping drastically increases the sample size for any local bubble statistics, constituting an important feature given that interface-resolved simulations are computationally costly. Overall, this thesis has led to a sophisticated software package that can be used to further understand boiling flow phenomena.