Partikelclusterung in einer Inflow-/Outflow-Konfiguration

Das Projekt Particle Clustering in an Inflow/Outflow Configuration (CLIO) untersucht das Verhalten absinkender, fester Partikel in einem Fluid, etwa in Luft oder Wasser. Das Verständnis dieses Phänomens ist in vielen natürlichen und industriellen Prozessen von entscheidender Bedeutung etwa bei Vulkanausbrüchen, Lawinen, chemischen Reaktoren und den Vorgängen in einem Wirbelschichtreaktor. Dabei nehmen Forscher oft an, dass die Partikel den Stromlinien der Strömung folgen und gleichmäßig verteilt sind, um die mathematische Beschreibung drastisch zu vereinfachen. In Wirklichkeit jedoch folgen die Partikel meist nicht den Stromlinien, und unter gewissen Umständen bilden sich heterogene Ansammlungen von Partikeln, sogenannte Cluster. Dieses Phänomen führt zu starken Inhomogenitäten und komplexen Wechselwirkungen, deren Vorhersage eine offene Fragestellung der Strömungsmechanik ist. In diesem Projekt wenden wir eine effiziente Methode an, mit der es möglich ist, über sehr lange Zeiträume die durch Schwerkraft verursachte Absinken von Tausenden von Partikel in einem Ensemble zu beobachten. Im Vergleich zu früheren Studien ist dies ein realistischeres Szenario, das uns zeigt, wie Teilchen beim Absinken von selbst Cluster bilden oder sich verteilen. Mithilfe hochauflösender Computersimulationen, die die Strömung um jeden einzelnen Partikel sowie die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln erfassen, werden wir untersuchen, wie Cluster entstehen, sich entwickeln und das Verhalten der Strömung beeinflussen. Sind Cluster stabil? Zerfallen sie und wenn ja, wie? Dies sind zentrale Fragestellungen, die in diesem Projekt untersucht werden sollen. Die Simulationen erfolgen an österreichischen Hochleistungsrechenzentren, beispielsweise am Austrian Scientific Computing (ASC), unter Einsatz von Tausenden Prozessoren, die über Wochen oder Monate parallel betrieben werden. Diese großangelegten Simulationen liefern einzigartige Daten, die unser Verständnis von teilchenbeladenen Strömungen verbessern und die Entwicklung neuer physikalischer Modelle unterstützen werden. Die Resultate werden der wissenschaftlichen Community zugänglich gemacht, um eine weiterführende Analyse sowie die Validierung physikalischer Modelle zu unterstützen. Dabei kombiniert das Projekt Fachkenntnisse in numerischer Simulation, Hochleistungsrechnen und der Physik von Strömungen mit Partikeln. Zusammenfassend führt CLIO zu genaueren Vorhersagen natürlicher und industrieller Systeme wie Flüsse, Wolken und chemische Reaktoren.