Pseudopotentialbasierte Lattice-Boltzmann-Verfahren für Mehrphasenströmungen: = Pseudopotential-based lattice Boltzmann methods for multiphase flows

Pseudopotential (PP)-basierte Lattice-Boltzmann-Methoden werden zunehmend für die Simulation von Mehrphasenströmungen eingesetzt. Da sie auf einem phänomenologischen Ansatz basieren, ist ihr Einsatz mit einem hohen Modellierungsaufwand verbunden. Zudem entstehen an den Phasengrenzen sogenannte Scheingeschwindigkeiten, welche Genauigkeit und numerische Stabilität beeinträchtigen. Daher werden PP-Modelle in dieser Arbeit um drei neue Aspekte erweitert. Erstens wird gezeigt, dass bei der Modellierung unterschiedlicher Kontaktwinkel mit gängigen Methoden in Kombination mit verbesserten Kräfteschemata Scheintröpfchen entstehen. Diese werden durch einen neuartigen Ansatz eliminiert, der auf zusätzlichen Randbedingungen für alle Wechselwirkungskräfte basiert. Diese Technik verhindert nicht nur das Auftreten der Scheintröpfchen, sondern erhöht auch die Stabilität in wandgebundenen Strömungen. Zweitens wird ein neuartiges Verfahren zur Reduktion von Scheingeschwindigkeiten eingeführt. Dabei wird die Diskretisierung der Interaktionskräfte erweitert und die zusätzlichen, freien Koeffizienten in Simulationen statischer Tropfen numerisch optimiert. Die resultierende Diskretisierung wurde in Simulationen stationärer und dynamischer Testfälle validiert, wobei Scheingeschwindigkeiten deutlich reduziert werden konnten. Drittens und letztens wurden die Diffusionseigenschaften in Mehrstoffsystemen detailliert untersucht, wobei eine kritische Abhängigkeit zwischen den makroskopischen Diffusionskoeffizienten und dem Kräfteschema aufgezeigt wird. Diese Analyse bildet die Grundlage für den Vergleich und die zukünftige Entwicklung neuer Potentialfunktionen (für Mehrstoffsysteme) und reduziert den Modellierungsaufwand.