In der Mehrphasenströmung entscheidet die Wahl des Ansatzes stärker, als es in der einphasigen Strömung die Wahl des Turbulenzmodells tut. Eine mit dem falschen Ansatz aufgesetzte Aufgabe kann konvergieren und dennoch nicht die richtige Antwort geben, weil die Physik, die Sie erfassen wollten, gar nicht in den Gleichungen steht [1] [2].
Zwei Fragen entscheiden
1. Wie groß ist der Volumenanteil der Sekundärphase? 2. Ist die Phasengrenze groß genug, um vom Netz aufgelöst zu werden, oder kleiner als eine Zelle?
Ansatz mit freier Oberfläche
Die Phasengrenze wird aufgelöst und verfolgt. Die Phasen sind getrennt, die Grenzfläche ist groß und zusammenhängend.
Wo: Befüllen und Entleeren von Behältern, Schwappen, Wehr- und Gerinneströmung, Wellen, Flüssigkeitsstand in einem Abscheider.
Erfordert: ein Netz, das die Phasengrenze auflöst, und einen kleinen Zeitschritt. Die Courant-Zahl im Bereich der Grenzfläche wird meist unter eins gehalten.
Euler-Euler-Ansatz
Die Phasen werden als einander durchdringende Kontinua gelöst. Die Phasengrenze wird nicht aufgelöst, sondern modelliert.
Wo: Blasensäulen, Wirbelschichten, dichter Feststofftransport — überall dort, wo der Volumenanteil der Sekundärphase etwa zehn Prozent übersteigt.
Der Preis: Für Zwischenphasenwiderstand, Auftrieb und Turbulenzwechselwirkung werden Schließungsbeziehungen gebraucht. Das Ergebnis reagiert empfindlich auf deren Wahl, und diese Empfindlichkeit gehört in den Bericht.
Partikelverfolgung (Lagrange)
Die Sekundärphase wird als diskrete Partikel durch die kontinuierliche Phase verfolgt.
Wo: Abscheidegrad in Zyklonen und Abscheidern, Sprühstrahlen und Verdunstung, Erosion, Tropfentransport. Der Volumenanteil sollte typischerweise unter zehn Prozent liegen.
Achtung: Die Trenngradkurve hängt unmittelbar von der Partikelgrößenverteilung ab. Mit einem einzigen mittleren Durchmesser zu rechnen, löscht genau die kritischste Größe aus — den Durchschlupf der kleinen Partikel.
Kavitation
Das ist ein Thema für sich: Der Phasenwechsel wird vom Druck getrieben. Geht es um den Kavitationsbeginn in einer Pumpe oder einem Ventil, müssen Dampfdruck, Keimbildung und gelöstes Gas gemeinsam betrachtet werden. Eine instationäre Lösung ist oft nötig, weil der momentane Minimaldruck deutlich unter dem Mittelwert liegt.
Eine Regel, die durchgehend gilt
Welcher Ansatz auch gewählt wird: Ein Mehrphasenergebnis sollte ohne Validierungsdaten nicht als Absolutwert zitiert werden. Der vergleichende Gebrauch — ist Entwurf A besser als Entwurf B — ist weit verlässlicher.
Referenzen
- Hirt, C. W. & Nichols, B. D. (1981). Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of Computational Physics, 39(1), 201–225. DOI: 10.1016/0021-9991(81)90145-5
- Morsi, S. A. & Alexander, A. J. (1972). An investigation of particle trajectories in two-phase flow systems. Journal of Fluid Mechanics, 55(2), 193–208. DOI: 10.1017/S0022112072001806
- Singhal, A. K., Athavale, M. M., Li, H. & Jiang, Y. (2002). Mathematical basis and validation of the full cavitation model. Journal of Fluids Engineering, 124(3), 617–624. DOI: 10.1115/1.1486223