Numerische Simulation von Strömungen in porösen Medien: Von nanoskaligen laminaren bis zu makroskaligen turbulenten Strömungen

Diese Arbeit zeigt Ergebnisse direkter numerischer Simulationen turbulenter Strömungen auf Basis der Lattice-Boltzmann-Methode für ein generisches poröses Medium. Es werden sowohl Visualisierungen der Wirbelstrukturen als auch eine Auswertung statistischer Daten für die Analyse herangezogen. Damit wird die Gültigkeit der Darcy-Forchheimer-Gleichung bis hin zu turbulenten Strömungen nachgewiesen und gezeigt, dass die Abmessungen der turbulenten Strukturen immer im Bereich des Porendurchmessers liegen.

Mit der Untersuchung zur Durchströmung von nanoporösen Medien wird ein weiterer Aspekt beleuchtet: Kann die Darcy-Gleichung zur makroskopischen Beschreibung einer solchen Strömung angewandt werden? Ausgehend von dieser Fragestellung wird eine grundlegende Analyse der Anwendbarkeit von Kontinuumssimulationen für nanoskalige Geometrien durchgeführt. Für vier Fälle (Couette-/Poisseuillströmung, Krümmerdurch- und Zylinderumströmung) werden sowohl molekulardynamische als auch Kontinuums-Simulationen berechnet und die Ergebnisse für verschiedene Größen der Geometrien miteinander verglichen.