Workshop "Meßtechnik für stationäre und transiente ...

5.1 Staubverteilung in einem pneumatisch befüllten Silo
Turbulenz und Teilchenkonzentration in Staubwolken sind entscheidende sicherheits-
technische Parameter für die Vorhersage der Heftigkeit von Staubexplosionen in der
industriellen Praxis. Beispiele sind Betriebe der Lebensmittelverarbeitung, Räucherei-
anlagen, Wirbelschichttrockner etc.
Zur Klassifizierung des Gefährdungspotentials wurden an einem pneumatisch mit
Maisstärke befüllten 12 m3 großen Silo (Bild 5) mit laseroptischen Meßverfahren die
Teilchengeschvvindigkeit, die Turbulenz und die Staubkonzentration bestimmt [4].
Gleichzeitig wurden Rechnungen der zweiphasigen Strömung durchgeführt und
mit den Meßwerten verglichen. Mit Ausnahme der Silomitte - dort sind insbesonde-
re im Eintrittsbereich die Teilchenkonzentrationen so hoch, daß die Voraussetzungen
für die Lagrangesche Betrachtung lokal verletzt werden - zeigen die Ergebnisse für
Axialgeschwindigkeit, turbulente kinetische Schwankungsenergie und für die Teilchen-
konzentration gute Übereinstimmung mit den Messungen.
Das Spektrum der unterschiedlichen Teilchengrößen (9 bis 62 pm) wurde in neun
Klassen unterteilt. Die größten und die kleinsten Teilchen fallen nach einigen weni-
gen Umläufen auf den Boden des Silos bzw. verlassen ihn durch die obenliegenden
Öffnungen. Teilchen mit mittlerem Durchmesser neigen zu langen Verweilzeiten, die
mehrere Minuten betragen können. Der numerische Aufwand und die Rechenzeiten
für entsprechende Simulationen steigen damit sehr stark an und motivieren den Ein-
satz paralleler Lagrangescher Verfahren.
5.2 Paralleles Lagrangesches Rechenverfahren
Zur Verminderung der hohen Rechenzeiten, die bei großtechnischen Maßstäben bei
der Verwendung Lagrangescher Rechenverfahren auftreten, werden parallele Algo-
rithmen auf Basis der Gebietszerlegung eingesetzt. Dynamische Verteilungskonzepte
sorgen dafür, daß die Rechenleistung auch dann gleichmäßig auf die verfügbaren
Prozessoren aufgeteilt wird, wenn die Partikel inhomogen im Strömungsgebiet verteilt
sind.
Das gewählte Parallelkonzept verfolgt ein Hybridschema aus zwei verschiedenen
Ansätzen:
a Jeder Prozessor verfolgt genau die seinem Gebiet zugeordneten Abschnitte der
Teilchenbahnen.
a Jeder Prozessor berechnet die Bahn eines Teilchens im gesamten Lösungsge-
biet
Der erste Ansatz ist einfach, führt aber zwangsläufig auf ungleiche Auslastung der
Prozessoren, sobald es zur Teilchenanhäufung in einzelnen Gebieten kommt.
Der zweite Ansatz verspricht eine sehr gute Lastverteilung, es benötigt aber jeder
Prozessor die Geometrie- und Strömungsdaten des gesamten Lösungsgebiets, was
die rnaxiamal mögliche Problemgröße entscheidend einschränkt.
Das Hybridschema vereint den Vorteil hoher Datenlokalität und ausgewogener
Lastverteilung beider Ansätze, indem jedem Prozessor primär ein Teilgebiet zur Be-
rechnung zugewiesen wird, er aber im Falle hoher Lastunausgewogenheit Rechenar-
beit in sekundären Gebieten übernimmt, wobei der Kommunikationsuafwand begrenzt
bleibt.