Direkte numerische Simulation des Gasaustausches an der Gas-Flüssigkeitsgrenzschicht bei natürlicher Konvektion

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Uhlmann
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 276322396

In diesem Projekt soll der Transfer eines Gases in eine Flüssigkeit an einer ebenen Grenzfläche unter thermisch-konvektiv instabilen Verhältnissen untersucht werden. Die physikalischen Mechanismen, die eine bedeutende Rolle im Gasaustauschprozess unter oben genannten Verhältnissen spielen, sind noch ungenügend aufgeklärt, obwohl dieser Prozess einen signifikanten Beitrag zum globalen Wärmehaushalt und zu umweltrelevanten Stoffkreisläufen (z.B. von Treibhausgasen wie Kohlendioxid) leistet. Zwar existieren zahlreiche empirische Modelle zur Vorhersage der Gastransfergeschwindigkeit, jedoch fehlt weiterhin eine vollständige Beschreibung der Dynamik der Wechselwirkung zwischen dem oberflächennahen Turbulenzfeld und dem dortigen Massenfluss in der durch thermisch-konvektive Instabilität angetriebenen Strömung. Da eine Vielzahl umweltrelevanter Gase (wie Sauerstoff und Kohlendioxid) eine sehr niedrige Diffusivität in Wasser aufweist, ist der Massentransfer an der Grenzfläche durch eine sehr dünne Grenzschicht gekennzeichnet. Desweiteren treten momentan und lokal im Flüssigkeitskörper sehr hohe Konzentrationsgradienten auf, welche hohe Anforderungen an Labormessungen stellen. Bestehende direkte numerische Simulationen - eingeschränkt durch den hohen Bedarf an Rechenressourcen die benötigt werden um alle Skalen des Prozesses aufzulösen - sind meistens auf niedrigere Schmidtzahlen (typischerweise kleiner als 10) und/oder niedrige Reynoldszahlen begrenzt. Hier gehen wir das Problem mittels direkter numerischer Simulation an, wobei ein maßgeschneidertes Verfahren zum Einsatz kommt. Nach unserem Kenntnisstand wird es durch diese Studie erstmalig möglich, den Transport von passiven Skalaren unter thermisch-konvektiv induzierter Strömung bei realistischer Schmidtzahl bis ca. 500 darzustellen. Die detaillierten Daten erlauben uns vor allem die in Labormessungen schwierig zu erfassende Korrelation zwischen fluktuierenden Konzentrations- und Geschwindigkeitsfeldern zu quantifizieren. Darüberhinaus gibt es derzeit noch keine zeitlich und räumlich drei-dimensional aufgelösten Messungen der fluktuierenden Felder im Zusammenhang mit dem Gasaustauschprozess. Ein wichtiger Beitrag des geplanten Projektes wird es sein, die Vorhersage von Gastransferraten im Rahmen der Modellierung des globalen CO2-Haushalts sowie bei Sauerstoff-Anreicherungsprozessen in verschmutzten Gewässern zu verbessern. Konkret wird hier angestrebt, die Skalierung der Gastransfergeschwindigkeit mit den zwei Schlüsselparametern des Problems (Schmidtzahl und Rayleighzahl) zu bestimmen. Eine mögliche Anwendung der hier gewonnen Erkenntnisse (z.B. im Bereich der Fernerkundung) ist die Rekonstruktion der Gastransferrate an einer Oberfläche aufgrund von reinen Informationen über das thermische Feld (z.B. Infrarotaufnahmen).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Kooperationspartner: Dr. Jan Gerard Wissink