Entwicklung und Anwendung einer Methode zur Direkten Numerischen Simulation reaktiver Transportprozesse in Blasensystemen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Holger Marschall
• Fachliche Zuordnung: Mathematik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 256677419

Originäre Ziele des zur Fortsetzung beantragten Forschungsvorhabens sind sowohl die Entwicklung als auch die Anwendung einer Methode zur Direkten Numerischen Simulation von reaktivem Stoffübergang an dynamischen Grenzflächen in Mehrblasensystemen. Der Antragsteller entwickelte hierfür in der ersten Förderperiode zwei hybride Methoden, um das hier vorliegende Mehrskalenproblem durch die signifikant unterschiedlichen Auflösungs-anforderungen im Grenzschichtbereich mit vertretbarem Rechenaufwand zu lösen. Fokus in der zweiten Förderperiode ist die Anwendung eines spezialisierten Hybridverfahrens zur Be-antwortung reaktionstechnischer Fragestellungen. Grundidee ist, Transportgleichungen für Blasenhydrodynamik und reaktivem Stofftransport voneinander unabhängig zu diskretisieren. Dies ermöglicht eine höhere Auflösung speziell in der Konzentrationsgrenzschicht. Mit einem derartigen Hybridverfahren gelingt es nunmehr, die für hohe Péclet- (Reynolds- und Schmidt-) und Hatta-Zahlen typischerweise steilen Konzentrationsgradienten in der Grenzschicht aufzulösen, während der Rechenaufwand zur Lösung der zweiphasigen Hydrodynamik auf einem realistischen Maß bleibt. Entwicklung und Anwendung der neuartigen Methode erfolgt in OpenFOAM, einer freien quelloffenen C++ Bibliothek für rechnergestütze Simulationen in der Kontinuumsmechanik.Mit der Anwendung der Methode in Direkten Numerischen Simulationen in der zweiten Förderperiode des Schwerpunktprogramms sollen zwei zentrale Ziele des beantragten Forschungsvorhabens angegangen werden: (i) die Erarbeitung detaillierten Wissens und die grundlegende Durchdringung des komplexen Wechselspiels von zweiphasiger Hydrodynamik, lokalen Transportprozessen und chemischer Reaktionen auf Basis der Auswertung lokaler Daten aus Direkten Numerischen Simulationen (DNS), und (ii) die Aufklärung qualitativer Mechanismen und des quantitativen Einflusses obiger Prozesse auf Stoffübergangsverstärkung (Enhancement), den Flüssigkeitsausnutzungsgrad sowie Produktverteilung und -selektivität für konkurrierende (mischungssensitive) Prototypreaktionen sowie für konkrete, auch experimentell hochauflösend untersuchte Testreaktionen. Hierfür bedarf es der intensiven Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen der Fachdisziplinen Chemie und Verfahrenstechnik. Des Weiteren avisiert der Antragsteller die Fortführung der Arbeiten um das numerische Benchmark mit den teilnehmenden simulativ arbeitenden Gruppen, wobei unter Verwendung von OpenFOAM lokale insbesondere reaktionstechnische Daten zum reaktiven Stoffübergang in Taylorblasen als Benchmarkdaten eingebracht werden sollen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1740: Einfluss lokaler Transportprozesse auf chemische Reaktionen in Blasenströmungen