Direkte Numerische Simulation von Filmströmungen auf mikrostrukturierten Oberflächen mit Absorption einer Gasphase

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jens-Uwe Repke
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392533833

Strukturierte Hochleistungspackungen, wie sie z.B. in Packungskolonnen eingesetzt werden, und Fallfilmverdampfer können auf den überströmten Oberflächen Mikrostrukturen mit geometrischen Abmaßen in derselben Größenordnung wie die Dicken von flüssigen Rieselfilmen (< 1 mm) besitzen. Die Charakterisierung des mit der Fluiddynamik gekoppelten Stofftransports im flüssigen Rieselfilm ist dabei sehr wichtig für die genaue Beschreibung dieser mehrphasigen verfahrenstechnischen Apparate. Da die experimentelle Analyse der Um- und Überströmung der verschiedenen Oberflächenstrukturen insbesondere ohne weitere Beeinflussung der Strömung sehr aufwendig und komplex ist, sind die Gründe für die Abhängigkeit unzureichend untersucht. In der ersten Projektphase wurde der Einfluss der Mikrostrukturen auf die Hydrodynamik erfolgreich untersucht. Darauf aufbauend ist das Ziel dieses Forschungsprojektes daher die systematische Aufklärung des Einflusses von einzelnen Mikrostrukturen auf die Absorption einer gasförmigen Komponente mittels Direkter Numerischer Simulation. Dabei sollen grundlegende Forschungsarbeiten zur Beantwortung der Frage Wie beeinflussen Mikrostrukturen den Stofftransport bei Filmströmungen? geleistet werden. Zur Simulation werden insbesondere die vollständigen Navier-Stokes Gleichungen und keine weiteren vereinfachenden Modelle für turbulente Strömungen sowie Impuls- und Stofftransport zwischen den Phasen verwendet. Durch die Auflösung aller auftretenden Längen- und Zeitskalen kann die Quervermischung im Film und die Dynamik der Phasengrenzfläche genauestens beobachtet werden und der Einfluss verschiedenster Mikrostrukturen auf den Stofftransport systematisch untersucht werden. Es wird erwartet, dass die Simulationen das grundlegende Verständnis über den Einfluss der Mikrostruktur auf die Strömung und den Stofftransport vertiefen. Darüber hinaus können diese Grundlagenuntersuchungen die halb-empirischen Auslegungsgleichungen von Kolonnen präzisieren und den wissenschaftlichen Kenntnisstand erweitern, um z.B. Hinweise zum Design neuartiger Oberflächen zu liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen