Charakterisierung von durchströmten Gebieten und Strömungen mittels modell- und simulationsbasierter Fluss-MRI (CFD-MRI)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Gisela Guthausen; Privatdozent Dr. Mathias Joachim Krause
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 283792184

Bei der Ultrafiltration in der Wasseraufbereitung führt die Ablagerung von organischen oder anorga-nischen Stoffen (Fouling) an oder in einer Membran zu einem Produktivitätsverlust und Anstieg der Instandhaltungs- und Betriebskosten, die eine weiterreichende Anwendung dieser vielversprechen-den Technologie verhindern. Es fehlen nach wie vor Modelle zur Beschreibung der Prozesse, die morphologische Änderungen der Porosität der Membran und der sich bildenden Deckschicht abbil-den können. Ebenso fehlen umfangreiche Messdaten der Filtrationsdynamik im porösen Medium. Bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanztomographie (MRI) und die Computertomographie (CT) sind limitiert im Hinblick auf örtliche Auflösung und Bildkontrast. Das Hauptziel dieses Antrags ist es, diese prinzipielle Lücke durch die Entwicklung eines grundlegend neuen Verfahrens, der mo-dell- und simulationsbasierten Fluss-MRI (CFD-MRI), zu schließen. Dazu wird ein Strömungsmodell verwendet, um nicht sinnvolle Messergebnisse von vornherein auszuschließen, Messartefakte zu eliminieren und die Ortsauflösung zu verbessern, was zu einer genaueren Beschreibung von Strö-mung und Morphologie in durchströmten Geometrien führt. Zur Realisierung des CFD-MRI gilt es, ein Topologieoptimierungsproblem, das den Fehler von Mess- zu Simulationsergebnis minimiert, zu formulieren und numerisch effizient zu lösen. Dies er-folgt durch gradientenbasierte Algorithmen, deren Kern eine Weiterentwicklung der erst kürzlich entdeckten Adjungierten Lattice Boltzmann Methoden (ALBM) ist. Vorteile dieser Herangehens-weise liegen einerseits in der zugrundeliegenden mesoskopischen Modellierung der Strömung, wodurch die Partikelverteilungen direkt berechnet und mit den gemessenen MRI-Werten korreliert werden können, andererseits in der Effizienz des parallelen Algorithmus. Schließlich wird die Me-thode beispielhaft auf den Filtrationsprozess angewendet, wodurch es möglich wird, die Verteilung der Permeabilität und die Strömungsverhältnisse in der Membran akkurat zu bestimmen. Die MRI-Datenbasis wird dazu im experimentellen Teil des Vorhabens erarbeitet. Am Ende des Vorhabens wird ein Mess- und Auswerteverfahren für die Strömungsbildgebung in einer komplexen Geometrie erwartet, welches auch für andere Anwendungen neue Erkenntnisse verspricht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Hermann Nirschl