A Compact Introduction to the Numerical Modeling of Multiphase Flows

This report represents the handouts of an eight hour lecture held on occasion of the ”International Summer School on Computational Modeling of Combustion & Multiphase Flows in Energy Systems”. This summer school took place in Neptun-Olimp, Romania, in the period of July 21 – 25, 2003. The purpose of this report is to give students that are already familiar with the physics and numerical computation of single phase flow a compact introduction into the computational modeling of multiphase flows. The report is restricted to the hydrodynamics of multiphase flow and does not consider heat transfer, mass transfer and phase change. The report gives first an insight in the fundamental hydrodynamical phenomena of multiphase flows. It then presents the most popular modeling concepts for multiphase flows and points out their achievements and limitations. It details the continuous or interpenetrating field formulation of two-phase flow based on a volume averaging procedure and presents the related models as there are the homogeneous model, the diffusion model and drift flux model, and the two-fluid model. The report also discusses the Euler-Lagrange approach for disperse flow as well as interface resolving simulation methods such as the volume-of-fluid method, the level-set method and the front-tracking method. Eine kompakte Einführung in die numerische Modellierung von Mehrphasenströmungen Zusammenfassung Der vorliegende Bericht stellt eine ergänzende schriftliche Unterlage zu einer acht Stunden umfassenden Vorlesung dar, die im Rahmen der ”International Summer School on Computational Modeling of Combustion & Multiphase Flows in Energy Systems” gehalten wurde. Die Sommer-Schule fand vom 21.–25. Juli 2003 in Neptun-Olimp, Rumänien, statt. Das Ziel dieses Berichtes ist es, Studenten, die bereits über Kenntnisse zur Physik und zur numerischen Berechnung einphasiger Strömungen verfügen, eine kompakte Einführung in die numerische Modellierung von Mehrphasenströmungen zu geben. Der Bericht beschränkt sich dabei auf die Hydrodynamik und behandelt nicht Wärmeübergang, Stoffübergang und Phasenübergang. Er gibt einen Überblick zu den grundlegenden hydrodynamischen Phänomenen in mehrphasigen Strömungen, stellt die am häufigsten verwendeten Modellierungskonzepte vor, und geht auf deren Errungenschaften und Einschränkungen ein. Das Konzept der Formulierung der Mehrphasenströmung als einander sich durchdringende Kontinua wird basierend auf einer Volumenmittelung hergeleitet. Als dazu in Beziehung stehende Modelle werden das homogene Modell, das Diffusionsund Drift-Strömungs-Modell und das Zwei-Fluid-Modell vorgestellt. Der Bericht behandelt weiter das Euler-Lagrange-Modell für disperse Strömung sowie Methoden zur detaillierten numerischen Beschreibung der Phasengrenzflächendynamik, wie die Volume-of-Fluid Methode, die Level-Set-Methode und die Front-Tracking-Methode.