Entwicklung und Anwendung einer Methode zur Direkten Numerischen Simulation reaktiver Transportprozesse in Blasensystemen

Originäre Ziele des zur Fortsetzung beantragten Forschungsvorhabens sind sowohl die Entwicklung als auch die Anwendung einer Methode zur Direkten Numerischen Simulation von reaktivem Stoffübergang an dynamischen Grenzflächen in Mehrblasensystemen. Der Antragsteller entwickelte hierfür in der ersten Förderperiode zwei hybride Methoden, um das hier vorliegende Mehrskalenproblem durch die signifikant unterschiedlichen Auflösungs-anforderungen im Grenzschichtbereich mit vertretbarem Rechenaufwand zu lösen. Fokus in der zweiten Förderperiode ist die Anwendung eines spezialisierten Hybridverfahrens zur Be-antwortung reaktionstechnischer Fragestellungen. Grundidee ist, Transportgleichungen für Blasenhydrodynamik und reaktivem Stofftransport voneinander unabhängig zu diskretisieren. Dies ermöglicht eine höhere Auflösung speziell in der Konzentrationsgrenzschicht. Mit einem derartigen Hybridverfahren gelingt es nunmehr, die für hohe Péclet- (Reynolds- und Schmidt-) und Hatta-Zahlen typischerweise steilen Konzentrationsgradienten in der Grenzschicht aufzulösen, während der Rechenaufwand zur Lösung der zweiphasigen Hydrodynamik auf einem realistischen Maß bleibt. Entwicklung und Anwendung der neuartigen Methode erfolgt in OpenFOAM, einer freien quelloffenen C++ Bibliothek für rechnergestütze Simulationen in der Kontinuumsmechanik.Mit der Anwendung der Methode in Direkten Numerischen Simulationen in der zweiten Förderperiode des Schwerpunktprogramms sollen zwei zentrale Ziele des beantragten Forschungsvorhabens angegangen werden: (i) die Erarbeitung detaillierten Wissens und die grundlegende Durchdringung des komplexen Wechselspiels von zweiphasiger Hydrodynamik, lokalen Transportprozessen und chemischer Reaktionen auf Basis der Auswertung lokaler Daten aus Direkten Numerischen Simulationen (DNS), und (ii) die Aufklärung qualitativer Mechanismen und des quantitativen Einflusses obiger Prozesse auf Stoffübergangsverstärkung (Enhancement), den Flüssigkeitsausnutzungsgrad sowie Produktverteilung und -selektivität für konkurrierende (mischungssensitive) Prototypreaktionen sowie für konkrete, auch experimentell hochauflösend untersuchte Testreaktionen. Hierfür bedarf es der intensiven Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen der Fachdisziplinen Chemie und Verfahrenstechnik. Des Weiteren avisiert der Antragsteller die Fortführung der Arbeiten um das numerische Benchmark mit den teilnehmenden simulativ arbeitenden Gruppen, wobei unter Verwendung von OpenFOAM lokale insbesondere reaktionstechnische Daten zum reaktiven Stoffübergang in Taylorblasen als Benchmarkdaten eingebracht werden sollen.

Technische Universtität Darmstadt
Advanced Two-Phase and Interfacial Flow Simulations

Projektleiter
Dr. Holger Marschall

Projektmitarbeiter
Dennis Hillenbrand M. Sc.

Development and Application of a Direct Numerical Method for Reactive Transport Processes in Bubble Systems

The proposed research project is concerned with both the development and application of a Direct Numerical Method for reactive mass transfer at dynamic interfaces in multiple bubble systems. The applicant sets out a hybrid (Lagrangian/Eulerian) method, which \emph{by construction} is intended to fully resolve the sharp concentration gradients occurring for realistic Peclet (Reynolds and Schmidt) and Hatta numbers at the interface by its Lagrangian part, while the method's overall conservative properties inherently results from its Eulerian part. Hence, two crucial properties for a predictive (high-fidelity) Direct Numerical Method for reactive interfacial mass transfer, namely adaptive and sufficient spatial resolution and intrinsic conservation, are conceptually combined to the proposed hybrid method. The development and application of the novel method shall be done within the framework of the free open source C++ library OpenFOAM for Computational Continuum Mechanics. Applying the method by means of Direct Numerical Simulations, the two main objectives of the proposed project are (i) the gain of detailed knowledge and thorough understanding of the complex interplay of two-phase hydrodynamics (bubble interface and bubble wake dynamics), local transport processes as well as transport resistances (diffusive and advective transport of chemical species at dynamic bubble interfaces and within/nearby interfacial boundary layers), and single chemical reactions (local intrinsic kinetics, mass transfer enhancement) by computational analysis, and (ii) the disclosure of the qualitative mechanisms and quantitative relative importance of the influence of above processes near the dynamic bubble interface on the degree of liquid phase utilization, product selectivity and byproduct formation for competitive (mixing-sensitive) prototype reactions within the bubble wake. Moreover, using OpenFOAM the applicant seeks to establish a numerical benchmark among the participating simulating groups providing detailed local data for mass transfer from freely rising single bubbles with and without chemical reaction.

Technische Universtität Darmstadt
Advanced Two-Phase and Interfacial Flow Simulations

Project leader
Dr. Holger Marschall

Project manager
Dennis Hillenbrand M. Sc.