Fluid-Partikel-Systeme sind in der Natur und in industriellen Anwendungen allgegenwärtig. Im Wasserbau ist der Sedimenttransport ein Beispiel für ein Fluid-Partikel-System, das mathematisch durch ein System von Differentialgleichungen im Eulerian-Eulerian und Eulerian-Lagrangian Rahmen beschrieben und detaillierter analysiert werden kann. In dieser Dissertation, der Eulerian-Lagranagian Rahmen angewandt, der die numerische Strömungsmechanik (CFD) mit der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) kombiniert, was allgemein als CFD-DEM-Ansatz bezeichnet wird.
Der Sedimenttransport ist ein komplexer Prozess, der von vielen voneinander abhängigen Variablen wie Strömung, Turbulenz, Partikelgröße und Partikelform bestimmt wird. Ich konzentriere mich auf einen spezifischen Teilprozess des Sedimenttransports, die „Feinsedimentinfiltration in statisches Kiesbett“, die für verschiedene fluviale und ökologische Dynamiken von Bedeutung ist. Dieser Prozess wird als dichtes Fluid-Partikel-System betrachtet, bei dem sowohl die Wechselwirkungen zwischen Fluid und Partikeln als auch zwischen den Partikeln untereinander von Bedeutung sind. In dieser Dissertation werden die Einflüsse von fließendem Wasser, Turbulenzmodellierung, Partikelgrößenverteilung (PSD) und Partikelform auf die numerische Simulation von Feinsedimentinfiltration untersucht. Vor der Anwendung der CFD-DEM-Ansatz zur Untersuchung der Feinsedimentinfiltration wird die unaufgelöste CFD-DEM-Ansatz kritisch hinsichtlich des Kopplungsregimes, der Turbulenzmodellierung, der Partikel-Eigenschaften, der rechnerischen Durchführbarkeit und der Methodenbeschränkungen unter Bezugnahme auf ein disperses Fluid-Partikel System bewertet.
Im Gegensatz zu konventionellen Sedimenttransportmodellen, die empirische Gleichungen zur Schätzung von Sedimenttransportparametern verwenden, liefert der CFD-DEM-Ansatz detaillierte Strömung und partikelaufgelöste Informationen. Der CFD-DEM-Ansatz erfordert jedoch aufgrund der umfangreichen DEM-Berechnungen und der High-Fidelity-CFD, die eine Kopplung zwischen CFD und DEM beinhaltet, um die Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Partikeln zu erfassen, Hochleistungscomputer (HPC). Die Methode hat auch Einschränkungen in Bezug auf die Anzahl und Größe der Partikel, so dass sie nur für detaillierte Untersuchungen mit einer begrenzten Anzahl von Partikeln und bis zu einem bestimmten Grad der Strömungsauflösung geeignet ist. Die Auflösung des Strömungsfeldes hängt davon ab, ob die Turbulenz modelliert (z. B. Reynolds-Averaged Navier-Stokes; RANS) oder bis zu einem bestimmten Grad aufgelöst (z. B. Large Eddy Simulation; LES) wird.
Numerische Simulationen werden mit OpenFOAM-basierten Softwarepaketen durchgeführt. Zur Bewertung der CFD-DEM-Ansatz werden zwei ähnliche, aber auch unterschiedliche Partikelverfolgungslöser in OpenFOAM verwendet: "DPMFoam“ und "pimpleLPTFoam‘. Der Solver "DPMFoam“ ist ein Standard-Solver in OpenFOAM, während "pimpleLPTFoam“ ein selbst kompilierter Solver ist, der entwickelt wurde, um die Auswirkungen des Partikelanteils in jeder Berechnungszelle zu untersuchen. Um Kies- und Feinsedimentpartikel genau darzustellen, wurde OpenFOAM mit einem separaten DEM-Softwarepaket namens LIGGGHTS gekoppelt, das den CFDEM-Coupling-Code verwendet.
Die Bewertung der CFD-DEM-Ansatz zeigt, dass einfache Dispersionsmodelle, die in der Regel eingesetzt werden, um die durch die RANS-Mittelung verloren gegangenen Turbulenzschwankungen auszugleichen, die Partikeldispersion tendenziell unterbewerten. Daher sollten Anspruchsvollere Dispersionsmodelle im Rahmen der RANS-DEM implementiert werden, um das Partikelverhalten in einer turbulenten Strömung genau zu erfassen. Turbulenzauflösende Ansätze wie LES-DEM kann ein realistischeres Partikelverhalten in turbulenten Strömungen bieten. LES-DEM ist jedoch nur selten durchführbar, da die Partikel in der unaufgelösten CFD-DEM-Ansatz kleiner sein müssen als die CFD-Zellengröße. In solchen Fällen, insbesondere in der Nähe von Wänden, wo kleinere Zellgrößen zur Auflösung der Grenzschicht erforderlich sind, können die dynamischen LES-Turbulenzmodelle die Einschränkungen der statischen LES-Turbulenzmodelle abmildern. Bei stark dispergierten partikelbeladene Strömungen, einseitige Kopplung und die Vernachlässigung von Partikelanteilen in jeder Berechnungszelle ausreichen, um ein genaues Partikelverhalten in der turbulenten Strömung vorherzusagen, was erhebliche Rechenressourcen spart.
Die Anwendung des ungelösten CFD-DEM-Ansatzes zur Modellierung der Feinsedimentinfiltration zeigt, dass (1) das Auftreten verschiedener Infiltrationsverhalten (Überbrückung oder Versickerung) unabhängig von der Kiesbettdicke ist und nur von der relativen Feinsedimentgröße abhängt, und (2) die Definition eines ausreichend dicken Kiesbetts notwendig ist, um zwischen Überbrückungs- und Versickerungsverhalten zu unterscheiden. Die Untersuchung der Auswirkungen von fließendem Wasser auf den Infiltrationsprozess unterstützt die Hypothese von Cui, dass sich Feinsediment, das durch Fließen im Kiesbett infiltriert wird, ähnlich verhält wie Feinsediment, das durch die Schwerkraft infiltriert wird. Im Wesentlichen ist der Prozess der Feinsedimentinfiltration überwiegend schwerkraftgesteuert, solange das Kiesbett unbeweglich bleibt.
Partikelformeffekte in Bezug auf Nicht-Kugelförmigkeit und Unregelmäßigkeiten wurden in das numerische Modell implizit berücksichtigt, indem das Rollen von kugelförmigen Partikeln eingeschränkt wird. Es wurde gezeigt, dass Partikelformeffekte den Infiltrationsprozess erheblich beeinflussen, und die Berücksichtigung der Partikelformeffekten durch Rollwiderstandsmodelle scheint der effizienteste Weg zu sein. Die Untersuchung der Partikelgrößen-verteilung (PSD) für den Infiltrationsprozess legt nahe, dass eine Reduzierung der Korngrößenklassen in der PSD von Kies und Feinsediment notwendig ist, um die CFD-DEM Simulation innerhalb eines angemessenen Zeitrahmens und mit vertretbaren Rechenressourcen durchzuführen. Die Reduzierung der Korngrößenklassen ist jedoch nur dann gerechtfertigt, wenn die Infiltrationseigenschaften von Feinsediment und Kiesbett nicht wesentlich verändert werden und das Größenverhältnis innerhalb der Schwellenwerte des Infiltrationsverhaltens (Überbrückung oder Versickerung) bleibt. Die Partikelform und die PSD-Effekte sind mit den Schwellenwerten für das Größenverhältnis verknüpft, was Forschern und Wasserbauingenieuren dabei hilft, zu bestimmen, wann Rollwiderstandsmodelle verwendet werden sollten und wie viele Korngrößenklassen erforderlich sind, um die Inhomogenität und Poly-Dispersität, die in natürlichen Flusssystemen zu finden sind, nachzubilden. Abschließend werden auf der Grundlage der im Rahmen dieses Promotionsprojekts durchgeführten Forschung einige Empfehlungen für den Umgang mit Feinsedimenten zur Erhaltung eines gesunden Flussökosystems gegeben.
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