Direct Numerical Simulation of Film Flows on Microstructured Surfaces with absorption of a gas phase

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Jens-Uwe Repke
• Subject Area: Chemical and Thermal Process Engineering
• Term: from 2017 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 392533833

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

In diesem Forschungsprojekt wurde in der ersten Phase ein diffuses Grenzschichtmodell basierend auf den CHNS-Gleichungen implementiert und in der zweiten Projektphase um den Stofftransport einer gelösten Komponente erweitert. Hierbei wurden detaillierte Untersuchungen durchgeführt, um den Stofftransport mit dem diffusen Grenzschichtmodell genau zu beschreiben. Dies trägt maßgebend zum Verständnis, wie klassische Sprungmodelle in diffusen Modellen abgebildet, werden bei. Hierbei konnte gezeigt werden, dass der Sprung im scharfen Grenzschichtmodell sich als Sattelpunkt im diffusen Modell abbildet. In den durchgeführten Parameteruntersuchungen wurden die Einflussparameter auf den Stofftransport identifiziert und deren Effekt auf die Einlösungsprofile genau beschrieben. Dazu sind in der Literatur bisher keine Angaben zu finden. Des Weiteren konnte ein erster Vergleich mit experimentellen Daten durchgeführt werden. Hierbei wurde eine gute Übereinstimmung gefunden. Die simulierten Geschwindigkeitsprofile stimmen sehr gut mit den experimentell gemessenen überein. Die Kontur der Phasengrenzfläche stimmt ebenfalls, abgesehen von einer Phasenverschiebung, gut überein. Damit wurde erfolgreich der erste Schritt zum Vergleich experimenteller und rechnerischer Ergebnisse gemacht. Das Ziel dieser Arbeit war die systematische Aufklärung des Einflusses von einzelnen Mikrostrukturen auf den Stofftransport einer eingelösten Gaskomponente in einen Flüssigkeitsfilm, um die Frage wie Mikrostrukturen den Stofftransport in Rieselfilmen in Abhängigkeit der Flüssigkeitsströmung beeinflussen weiter zu klären. Dazu wurden Untersuchungen an einer geneigten Platte mit unterschiedlichen Oberflächen (glatt, rechteckig sowie dreieckige Mikrostruktur unterschiedlicher Höhen) bei zwei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten durchgeführt. Hier wurde zunächst die Flüssigkeitsströmung charakterisiert und deren Einfluss auf den Stofftransport diskutiert. Es konnte gezeigt werden, dass Bereiche nach der Mikrostruktur abströmende Geschwindigkeitskomponenten und hohe Geschwindigkeitsbeträge aufzeigten, in diesen Bereichen konnte auch eine bessere Einlösungsrate als im restlichen Film bestimmt werden. Dagegen haben die Bereiche vor der Mikrostruktur ein gegensätzliches Verhalten aufgewiesen. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass Mikrostrukturen, vor allem bei kürzen Verweilzeiten und schnellen Überströmgeschwindigkeiten einen positiven Einfluss auf die Absorption in den Flüssigkeitsfilm haben. Dies entspricht auch den experimentellen Erkenntnissen. Bei den Simulationen zum Stofftransport wurde Potential für weiterführende Untersuchungen im Nachgang dieses Forschungsvorhabens identifiziert. Durch eine groß angelegte Parameterstudie mit weiteren Mikrostrukturen mit unterschiedlichen Höhen und eine größere Spannbreite an Strömungsregimen, können fundiertere Erkenntnisse gewonnen werden, wie die Mikrostrukturen die Absorption beeinflussen und welche Unterschiede zwischen Größe und Form der Mikrostruktur maßgebend sind. Dies würde es ermöglichen eine erste Formulierung über eine optimale Packungsoberfläche für den Stofftransport aus der Gasphase in den Flüssigkeitsfilm vorzuschlagen. Hierbei ist jedoch der Simulationsaufwand (die Rechnendauer) zu beachten, so dass dies im Rahmen des Projektes nicht mehr möglich war. Darüber hinaus sollte die Erweiterung des Modells mit offenen Randbedingungen weiterverfolgt werden. Eine solche Erweiterung ermöglicht es weitere Strömungsverhalten abzubilden und die Realität besser darzustellen. Erste Arbeiten wurden hierzu bereits begonnen.

Publications

• "Direct numerical simulations of liquids on microstructured surfaces: analyzing the fluid dynamics on packing," In: Chem. Eng. Trans. 69 (2018)., S. 61–66
  Bonart, H. und J.-U. Repke, Hrsg. von E. Brunazzi und E. Sorensen, S.
  
• “Comparison of energy stable simulation of moving contact line problems using a thermodynamically consistent Cahn–Hilliard Navier–Stokes model”. In: Journal of Computational Physics 399 (Dez. 2019), S. 108959
  Bonart, H., Kahle, C. und J.-U. Repke
  
• “Controlling Sliding Droplets with Optimal Contact Angle Distributions and a Phase Field Model”. In: PAMM 19.1 (Nov. 2019), S. 10–11
  H. Bonart, C. Kahle und J.-u. Repke
  
• “Influence of Liquid Density and Surface Tension on the Pinning of Sliding Droplets on a Triangular Microstructure”. In: Chemical Engineering & Technology 42.7 (Juli 2019), S. 1381–1387
  Bonart, H., Jung, J., Kahle, C. und J.-U. Repke
  
• “On the stability of gravity-driven liquid films overflowing microstructures with sharp corners”. In: Phys. Rev. Fluids 5, 094001 (Sept. 2020)
  Bonart, H., Rajes, S., Jung, J. und J.-U. Repke
  
• “Optimal Control of Sliding Droplets using the Contact Angle Distribution”. SIAM Journal on Control and OptimizationVol. 59, Iss. 2 (2021), pp. 1057–1082
  Bonart, H. und C. Kahle
  
• Modellierung der Absorption einer gelösten Gaskomponente in Filmströmungen mit den Cahn-Hilliard-Navier-Stokes Gleichungen, Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Computational Fluid Dynamics + Mischvorgänge + Agglomerations- und Schüttguttechnik, 16. – 18. März 2022, Leipzig, Deutschland
  Rajes, S., Brösigke, G., Bonart, H., Kahle, C. und J.-U. Repke