Free Surface 3D (FS3D)

Hier finden Sie Informationen über das hauseigene DNS Programm FS3D.
[Foto: K. Schulte (ITLR)]

Das CFD-Programm FS3D (Free Surface 3D) wird seit mehr als 20 Jahren am ITLR eingesetzt und stetig weiterentwickelt. Zur Lösung der inkompressiblen Navier-Stokes Gleichungen wird die direkte numerische Simulation (DNS) eingesetzt. Dies bedeutet, dass keine Turbulenzmodelle verwendet werden, die auftretenden Strömungsphänomene werden durch eine entsprechend feine räumliche und zeitliche Auflösung erfasst. Um dem damit einhergehenden, hohen Rechenaufwand gerecht zu werden, ist FS3D mit Hilfe der MPI-Bibliotheken sowie OpenMP parallelisiert, so dass auch komplexe Probleme untersucht werden können.

Um Strömungen mit mehreren Phasen beschreiben zu können, arbeitet FS3D nach der Volume-of-Fluid (VOF) Methode. Die Verteilung der Phasen im Rechengebiet wird dabei durch weitere Feldvariablen repräsentiert. Für den Fall einer zweiphasigen Strömung wird nur eine Variable f benötigt, die nach ihrer Definition nur Werte zwischen 0 und 1 annehmen kann. Aus den Werten dieser f-Verteilung wird mit Hilfe des PLIC (piecewise linear interface calculation)  Verfahrens die eigentliche Phasengrenzfläche rekonstruiert.

Anwendungsbeispiele

  • Tropfen-Wand, Tropfen-Tropfen und Tropfen-Film-Interaktion
  • Tropfenaufprall auf struktuierte Oberfläche
  • Tropfenpartikelkollision
  • Wärme- und Stoffübergang an stark deformierten Tropfen
  • Jet Breakup
  • Aufstiegsverhalten von Gasblasen
  • Turbulente Einströmung
  • Verdampfender Tropfen
  • Gefriervorgang 
  • Mehrkomponententropfen

Ausgewählte Publikationen

  • Fest-Santini, S., Steigerwald, J., Santini, M., Cossali, G. E., & Weigand, B. (2021). Multiple drops impact onto a liquid film: Direct numerical simulation and experimental validation. Computers & Fluids214, 104761.
  • Ren, W., Reutzsch, J., & Weigand, B. (2020). Direct Numerical Simulation of Water Droplets in Turbulent Flow. Fluids5(3), 158.
  • Reutzsch, J., Kieffer-Roth, C., & Weigand, B. (2020). A consistent method for direct numerical simulation of droplet evaporation. Journal of Computational Physics413, 109455.
  • Loureiro, D. D., Reutzsch, J., Kronenburg, A., Weigand, B., & Vogiatzaki, K. (2020). Primary breakup regimes for cryogenic flash atomization. International Journal of Multiphase Flow132, 103405.
  • Baggio, M., & Weigand, B. (2019). Numerical simulation of a drop impact on a superhydrophobic surface with a wire. Physics of Fluids31(11), 112107.
  • Reitzle, M., Ruberto, S., Stierle, R., Gross, J., Janzen, T., & Weigand, B. (2019). Direct numerical simulation of sublimating ice particles. International Journal of Thermal Sciences145, 105953.
  • Ruberto, S., Reutzsch, J., Roth, N., & Weigand, B. (2017). A systematic experimental study on the evaporation rate of supercooled water droplets at subzero temperatures and varying relative humidity. Experiments in Fluids58(5), 55.
  • Ertl, M., & Weigand, B. (2017). Analysis methods for direct numerical simulations of primary breakup of shear-thinning liquid jets. Atomization and Sprays27(4).
  • Reitzle, M., Kieffer-Roth, C., Garcke, H., & Weigand, B. (2017). A volume-of-fluid method for three-dimensional hexagonal solidification processes. Journal of Computational Physics339, 356-369.
  • Eisenschmidt, K., Ertl, M., Gomaa, H., Kieffer-Roth, C., Meister, C., Rauschenberger, P., ... & Weigand, B. (2016). Direct numerical simulations for multiphase flows: An overview of the multiphase code FS3D. Applied Mathematics and Computation272, 508-517.
  • Rauschenberger, P., & Weigand, B. (2015). A Volume-of-Fluid method with interface reconstruction for ice growth in supercooled water. Journal of Computational Physics282, 98-112.
  • Rauschenberger, P., Criscione, A., Eisenschmidt, K., Kintea, D., Jakirlić, S., Tuković, Ž., ... & Tropea, C. (2013). Comparative assessment of Volume-of-Fluid and Level-Set methods by relevance to dendritic ice growth in supercooled water. Computers & fluids79, 44-52.
  • Zhu, C., Ertl, M., & Weigand, B. (2013). Numerical investigation on the primary breakup of an inelastic non-Newtonian liquid jet with inflow turbulence. Physics of Fluids25(8), 083102.
  • Schlottke, J., Straub, W., Beheng, K. D., Gomaa, H., & Weigand, B. (2010). Numerical investigation of collision-induced breakup of raindrops. Part I: Methodology and dependencies on collision energy and eccentricity. Journal of Atmospheric Sciences67(3), 557-575.
  • Sander, W., & Weigand, B. (2008). Direct numerical simulation and analysis of instability enhancing parameters in liquid sheets at moderate Reynolds numbers. Physics of Fluids20(5), 053301.
  • Schlottke, J., & Weigand, B. (2008). Direct numerical simulation of evaporating droplets. Journal of Computational Physics227(10), 5215-5237.
  • Gotaas, C., Havelka, P., Jakobsen, H. A., Svendsen, H. F., Hase, M., Roth, N., & Weigand, B. (2007). Effect of viscosity on droplet-droplet collision outcome: Experimental study and numerical comparison. Physics of fluids19(10), 102106.
  • Hase, M., & Weigand, B. (2004). Transient heat transfer of deforming droplets at high Reynolds numbers. International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow.
  • Rieber, M., & Frohn, A. (1999). A numerical study on the mechanism of splashing. International Journal of Heat and Fluid Flow20(5), 455-461.

 

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