A numerical method for interface-resolving simulations of particle-laden flows with collisions

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Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung und Verbesserung numerischer Methoden zur Simulation sphärischer Partikel in viskosen Strömungen mit räumlicher Auflösung der Partikelgeometrie. Sie hat unter anderem das Ziel, genaue und effiziente Verfahren zur Untersuchung der physikalischen Mechanismen von Sedimenterosion und Sedimenttransport bereitzustellen. Die entwickelten Algorithmen sind nicht auf dieses spezielle Problem beschränkt, sondern lassen sich auf eine Vielzahl anderer Anwendungen übertragen. Ein neuer Strömungslöser für parallele Maschinen mit verteiltem Speicher wird vorgestellt und anhand von zahlreichen Testfällen validiert. Es erfolgen Verbesserungen der Immersed Boundary Methode von Uhlmann (J. Comput. Phys., Vol. 209, S. 448-476, 2005), die eine stärkere Euler-Lagrange-Kopplung und einen deutlich erweiterten Stabilitätsbereich zur Folge haben. Die Arbeit präsentiert weiterhin ein effizientes Kollisionsmodell für sphärische Partikel in viskosen Fluiden. Mehrskalenmodellierungen vermeiden die lokale Gitterverfeinerung bei der Annäherung der Partikel und eine starke Zeitschrittreduktion während des direkten Kontakts der Oberflächen. Im letzten Kapitel der Arbeit erfolgen Simulationen des Partikeltransports über ein raues Bett. Der Einfluss verschiedener Kollisionsmodelle auf die Strömung und die disperse Phase wird dabei untersucht. Der Vergleich mit experimentellen Beobachtungen zeigt, dass sich mit dem neu entwickelten Modell deutlich verbesserte Ergebnisse erzielen lassen.