Direkte Numerische Simulation der Multiphysik des reaktiven Stoffübergangs an Einzelblasen und Blasengruppen

• Antragsteller: Professor Dr. Dieter Bothe
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Mathematik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 256739956

Reaktiver Stoffübergang bildet die Grundlage vieler technisch-chemischer Prozesse. Die notwendige Prozessintensivierung erfordert schnellere Teilschritte und höher konzentrierte Systeme. In solchen Zweiphasenströmungen mit komplexer lokaler Interaktion zwischen Stofftransfer, -transport und Chemie wird zusätzliche Multiphysik relevant. Dies beinhaltet: Volumeneffekte sich auflösender Blasen; teilweise immobilisierte Blasenoberflächen aufgrund von Verunreinigungen oder Additiven; ionische Spezies mit starker Kopplung der Diffusionsflüsse durch das intrinsische elektrische Feld; Kreuzdiffusion und Effekte aufgrund von Nichtidealitäten in nicht verdünnten Systemen. Diese Komplexität addiert sich zur Mehrskaligkeit des reaktiven Stoffübergangs mit extrem dünnen Konzentrationsgrenzschichten. Ein tiefergehendes Verständnis des lokalen Wechselspiels der elementaren Teilprozesse erfordert neben experimentellen Untersuchungen die numerische Simulation auf Basis rigoroser mathematischer Modellierung. Unser Zugang fußt auf der Kontinuumsphysik und basiert auf den zweiphasigen Bilanzgleichungen für Masse, Impuls und Stoffmenge. Unter Verwendung der Volume-of-Fluid (VOF)-Methode, bauen wir auf unserem Zweiskalaransatz für Direkte Numerische Simulationen des Stoffübergangs aus Gasblasen auf. Dieser Ansatz verwendet ein Subgridskalen-Modell, das in der ersten Förderphase erheblich verbessert wurde und nun realistische Schmidt-Zahlen zulässt. In der zweiten Förderphase wird diese Methode für die Simulation von Blasengruppen erweitert, die durch numerische Berechnung in periodischer Box untersucht werden, wodurch ein unendlich ausgedehnter Blasenschwarm simuliert wird. Außerdem wird der bestehende Ansatz zur Berücksichtigung von Kontaminationseffekten verbessert, indem zukünftig eine variable Gibbs-Elastizität zur Beschreibung der teilweisen Immobilisierung berücksichtigt wird. Detaillierte numerische Simulationen werden damit tiefe Einsichten in die lokalen Stoffübergangs- und Vermischungsprozesse unter schwarmartigen Bedingungen geben. Diese Techniken werden im Netzwerk des Schwerpunktprogramms zur Simulation des Stoffübergangs in Blasenströmungen für verschiedene chemische Modellsysteme eingesetzt, die in anderen Projekten im SPP (weiter-)entwickelt werden. Insbesondere wird die Oxidation von Eisenkomplexen in Methanol und die Nitrierung von Eisenkomplexen in Wasser betrachtet. Abhängig vom Reaktionsschema werden neben Sherwood-Zahlen und Verstärkungsfaktoren auch Umsatz und Selektivität untersucht. Neben der DNS von frei aufsteigenden Blasengruppen/-ketten ist ein Beitrag zur Leitmaßnahme Taylorblase/-flow mit reaktivem Stoffübergang geplant. Weiterhin wird der Einfluss der Elektromigration bei der Modellierung des Transports ionischer Spezies beforscht. Alle Simulationsergebnisse zu experimentellen Untersuchungen werden mit Kooperationspartnern diskutiert. Verbesserte Korrelationen für skalenreduzierte Modellierung werden mit Partnern im SPP entwickelt.

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