Simulation von Strömungen
FlowDict
FlowDict berechnet effektive Materialeigenschaften (Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsdurchlässigkeit und Strömungswiderstandskraft) durch Simulation von Strömungsexperimenten und Nachbearbeitung der Simulationsergebnisse.
Ein Strömungsexperiment in FlowDict erfordert eine Auswahl aus folgenden Eingabemöglichkeiten:
- 3D Darstellung einer Struktur oder eines Materials,
- newtonsches Fluid (flüssig oder gasförmig) mit konstanter Dichte (inkompressibel),
- experimentelle Prozessparameter wie Druckdifferenz, mittlere Geschwindigkeit oder Massenstrom sowie die Strömungsrichtung.
Anwendungsbeispiele
- Bestimmung der Durchlässigkeit von Luft und Wasser im Gewebe.
- Untersuchung der Permeabilität und des Druckabfalls in Filtermedien.
- Berechnung des Volumenstroms und des Druckabfalls in kompletten Filtern.
- Vorhersage der Permeabilität zur Gewinnung von Gas in Gasreservoirs.
- Charakterisierung der Strömungseigenschaften des Grundwassers in Grundwasserleitern.
- Vorhersage der absoluten Permeabilität von digitalen Gesteinen für die tertiäre Ölgewinnung.
Wissenschaftliche Publikationen
Strömungssimulation in Faserstrukturen
- Vorhersage des Druckabfalls und des
vollständigen Permeabilitätstensors - Bestimmung des schichtweisen Drucks und
der Geschwindigkeit im Porenraum entlang
der Strömungsrichtung (Abb. a)
a) Schichtweiser Druck entlang der Strömungsrichtung
b) Modell einer Faserstruktur mit FiberGeo designt
c) Wassergeschwindigkeit in einer Faserstruktur - simuliert mit FlowDict
und dem LIR-Löser in FlowDict
d) Schwarze Boxen zeigen das anpassungsfähige Gitternetz des LIR-Lösers
Strömungssimulation in Filterfalten
- Vorhersage des Druckabfalls in Ölfilterfalten
- Bestimmung von kritischen Stellen mit
hohen Geschwindigkeiten - Erlaubt Optimierung der Form und Anzahl der Falten
(a) Ölfilterfalten erstellt mit PleatGeo
(b) Strömungsgeschwindigkeit durch Ölfilterfalten (2D)
(c) Strömungsgeschwindigkeit durch Ölfilterfalten (3D)
Strömungssimulation in digitalen Gesteinen
- Vorhersage der absoluten Permeabilität
- Unterstützung von porösen Voxeln erlaubt
Multiskalensimulation
(a) Model eines Berea Sandsteins
(b) Strömung durch einen Berea Sandstein
Strömungssimulation in ganzen Filtern
- Vorhersage des Drucks und der Strömungsraten in ganzen Filtern
- Erlaubt mehrere Einlass- und Auslaßzonen
- Bestimmung von kritischen Stellen mit hohen Geschwindigkeiten
(a) Strömungsgeschwindigkeit durch einen kompletten Ölfilter,
inklusive Einlass und Auslass
(b) Druckverteilung in einem kompletten Ölfilter
FlowDict Features
FlowDict kann fünf Kategorien von Berechnungen durchführen:
- Vorhersage der mittleren Strömungsgeschwindigkeit für einen gegebenen Druckabfall.
- Vorhersage des Druckabfalls für eine gegebene mittlere Strömungsgeschwindigkeit.
- Vorhersage des vollständigen oder partiellen Permeabilitätstensors.
- Vorhersage des Volumenstroms bei gegebenen Drücken an Einlass und Auslass.
- Vorhersage des Drucks bei gegebenen Volumenströmen an Einlass und Auslass.
In der Nachbearbeitung berechnet FlowDict die Permeabilität des Materials nach dem Darcy-Prinzip aus der mittleren Strömungsgeschwindigkeit, der Flüssigkeitsviskosität, dem Druckabfalls und der Mediendicke. Das Darcy-Prinzip gilt nur für sehr langsame Strömungen (Stokes-Strömungen) mit einer Reynolds-Zahl nahe Null.
Schnellere Strömungen werden durch die Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben. Für schnellere Strömungen ist die Beziehung zwischen Druckabfall und mittlerer Geschwindigkeit nicht linear.
Für langsame und schnellere Strömungen nimmt FlowDict an, dass es sich um ein stationäres Strömungsregime handelt, ohne zeitabhängiges Verhalten wie etwa Turbulenzen.
Daher können weder die mittlere Strömungsgeschwindigkeit noch der Druckabfall beliebig groß werden. Allerdings für sehr schnelle Strömungen, bei denen keine stationäre Lösung existiert, lassen sich der Druckabfall und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit über die Forchheimer-Approximation in FlowDict vorhersagen.
FlowDict erlaubt die Berechnung stationärer Strömungen für die folgenden Gleichungen (siehe Lösertechnologien). Im Folgenden wird dabei von Poren Voxel die gefüllt mit einem Fluid sind, Festkörpervoxel die Hindernisse für die Strömung darstellen, und poröse Voxel die durch ihren Permeabilitätswert eine zugrundeliegende Mikrostruktur repräsentieren gesprochen.
- Stokes (mit den Lösern EJ, SimpleFFT oder LIR):
- Gilt bei langsamen Strömungen mit einer Reynoldszahl nahe Null.
- Geometrie muss vollständig aufgelöst sein in Poren- und Festkörpervoxel.
- Stokes-Brinkman (mit den Lösern SimpleFFT oder LIR):
- Gilt bei langsamen Strömungen mit einer Reynolds-Zahl nahe Null.
- Geometrie besteht aus Poren- und Festkörpervoxel sowie poröser Voxel.
- Navier-Stokes (mit den Lösern SimpleFFT oder LIR):
- Gilt auch bei schnellen Strömungen mit hohen Reynolds-Zahlen.
- Geometrie muss vollständig aufgelöst sein in Poren- und Festkörpervoxel.
- Navier-Stokes-Brinkman (mit den Lösern SimpleFFT oder LIR)
- Gilt auch bei schnellen Strömungen mit hohen Reynolds-Zahlen.
- Geometrie besteht aus Poren- und Festkörpervoxel sowie poröser Voxel.
- Darcy (mit den Lösern EJ oder LIR)
- Gilt bei langsamen Strömungen mit einer Reynolds-Zahl nahe Null.
- Geometrie besteht hauptsächlich aus porösen und Festkörpervoxeln.
- Ideal für digitale Gesteine, die mittels CT-Scans medizinischer Qualität entstanden sind.
GeoDict Anwendungen
Diese Module werden oft mit FlowDict kombiniert:
| Bildverarbeitung & Bildanalyse | ImportGeo-Vol | |||||
| Charakterisierung & Analyse | GrainFind | FiberFind | PoroDict + MatDict | |||
| Modellierung & Design | GrainGeo | FiberGeo | FoamGeo | PleatGeo | WeaveGeo | PaperGeo |
| Simulation & Vorhersage | FilterDict | AddiDict | AcoustoDict | SatuDict |
Welche Module für Sie am besten passen, ist abhängig von der Art Ihrer Anwendung.