TU Darmstadt / ULB / TUprints

An Arbitrary Lagrangian-Eulerian Method for the Direct Numerical Simulation of Wetting Processes

Gründing, Dirk (2020):
An Arbitrary Lagrangian-Eulerian Method for the Direct Numerical Simulation of Wetting Processes.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011442,
[Ph.D. Thesis]

[img]
Preview
Text
dirk-gruending-phd-thesis.pdf
Available under CC-BY-NC-SA 4.0 International - Creative Commons, Attribution Non-commercial, Share-alike.

Download (18MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: An Arbitrary Lagrangian-Eulerian Method for the Direct Numerical Simulation of Wetting Processes
Language: English
Abstract:

The process of wetting is present in virtually all technologies that involve liquids. Hence, the modeling and simulation of the involved physics is a key element in modern product design processes. To investigate the wetting process, an Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method is developed in OpenFOAM. The extension includes new Navier and a free slip boundary conditions that are introduced into the framework. Furthermore, a flexible contact angle library is provided. The implementation allows to combine heuristic models on arbitrary contact line topologies. Various test cases ranging from simple channel flows, over oscillating droplets and even local surface geometries provide a sound verification basis. Special emphasis is given to the extension of available reference cases for moving contact lines, specifically, the case of a liquid rising in a capillary. For this purpose, an ordinary differential equation (ODE) is derived from the continuum mechanical description for free surface flows. This model incorporates a Navier slip boundary condition and outlines necessary assumptions for a comparison to a numerical solution of the associated continuum mechanical model. In addition, the derivation explains the origin of the singularity in the classical rise model that is closely related to a precise computation of the stationary height of the liquid column. Moreover, it is shown that a convective contribution is missing in standard rise models. An extensive code to code comparison between the extended ALE-imple\-mentation, a geometric as well as an algebraic Volume of Fluid code, and a level-set approach has been executed in a collaborative effort. This provides novel benchmark data for the capillary rise test case that allows for a comprehensive comparison to the considered class of ODE rise models. Furthermore, the influence of numerical slip and Navier slip boundary condition on the rise behavior are analyzed. Finally, an overview of different applications and a comparison to experimental results highlights the new capabilities of the implemented extensions.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Benetzungprozesse sind allgegenwärtig in nahezu allen Technologien bei denen Flüssigkeiten eine Rolle spielen. Deshalb ist die Modellierung und Simulation der zugehörenden physikalischen Vorgänge ein zentraler Bestandteil in modernen Produktentwicklungsprozessen. Für die Simulation von Benetzungsprozessen wird eine Arbitrary-Lagrangian-Eulerian-Methode (ALE-Methode) in OpenFOAM entwickelt, getested und validiert. Dabei wird die Implementierung mit Hilfe einer Versionskontrolle durch Git und Bitbucket umgesetzt. Die Erweiterungen beinhalten sowohl eine neue Navier- als auch eine Randbedingung mit freiem Schlupf, die in die Platform integriert werden. Ebenfalls wird eine flexible Kontaktwinkelbibliothek erstellt. Diese Implementierung erlaubt eine Kombination von heuristischen Kontaktwinkelmodellen auf beliebigen Kontaktlinientopologien. Diverse Testfälle, die von einfachen Kanalströmungen über oszillierende Tropfen bis hin zum Vergleich lokaler Oberflächengeometrien reichen, bilden eine solide Verifizierungsbasis. Besondere Aufmerksamkeit wird auf die Erweiterung der verfügbaren Referenzfälle für bewegte Kontaktlinien gelegt, wobei insbesondere der Aufstieg von Flüssigkeiten in einer Kapillare untersucht wird. Zu diesem Zweck wird eine gewöhnliche Differentialgleichung (GDG) aus dem Zweiphasen-Kontinuumsmodell motiviert und bezüglich Navier Schlupf-Randbedingungen erweitert. Dabei zeigt die detaillierte Herleitung die Ursache der Singularität im klassischen Aufstiegsmodell, das in engem Zusammenhang zu einer präzisen Bestimmung der stationären Aufstiegshöhe steht. Darüber hinaus wird aufgezeigt, dass der Beitrag des Konvektionsterms im klassischen Modell nicht vorhanden ist. Zur weiteren Verifizierung ist ein umfangreicher Code zu Code Vergleich zwischen der erweiterten ALE-Methode, einer geometrischen sowie einer algebraischen Volume of Fluid Methode und einem Level-Set Verfahren durchgeführt worden. Damit stehen neue Benchmark-Daten für den Flüssigkeitsaufstieg in einer Kapillaren zu Verfügung, die auch einen umfangreichen Vergleich zur untersuchten Klasse der GDG-Modelle erlaubt. Darüber hinaus wird der Einfluss von numerischem Schlupf und Navier-Schlupf-Randbedingungen auf die Dynamik des Flüssigkeitsaufstiegs untersucht. Eine abschließende Übersicht unterschiedlicher Anwendungen und ein Vergleich zu experimentellen Ergebnissen zeigen die neuen Möglichkeiten der nun zur Verfügung stehenden Implementierung auf.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Numerical Methods in Mechanical Engineering (FNB)
Date Deposited: 02 Mar 2020 08:59
Last Modified: 09 Jul 2020 06:26
DOI: 10.25534/tuprints-00011442
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-114425
Referees: Bothe, Prof. Dr. Dieter and Schäfer, Prof. Dr. Michael
Refereed: 10 December 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11442
Export:
Actions (login required)
View Item View Item