Euler-Euler-Modellierung reaktiver Strömungen in Blasensäulen
In dem hier vorgestellten Projekt sollen Schließungsmodelle für chemische Reaktionen sowie den damit einhergehenden Stofftransport in die Euler-Euler Beschreibung von Blasenströmungen eingebracht werden. Dieser Ansatz erlaubt es, inhomogene Verteilungen von Blasenanzahldichten und Blasengrößen sowie lokale Unterschiede der Konzentrations- und Strömungsfelder im Maßstab der Blasensäule zu erfassen, so dass Berechnungen bis zur Skala industrieller Anlagen oder Komponenten ermöglicht werden. Transportvorgänge und reaktive Stoffumwandlung auf der Skala der einzelnen Blasen müssen dabei durch Schließungsmodelle berücksichtigt werden. Hinsichtlich rein strömungsdynamischer Vorgänge wurde am HZDR ein Satz von Schließungsmodellen definiert, der den Impulsaustausch zwischen den Blasen und der Flüssigkeit, die blaseninduzierte Turbulenz sowie Blasenkoaleszenz und -zerfall berücksichtigt. Das Gesamtmodell wurde an Hand einer Reihe experimenteller Daten für Blasenströmungen, darunter auch Blasensäulenexperimente, validiert, so dass ein leistungsfähiges Modell zur Vorhersage der hydrodynamischen Eigenschaften von Blasensäulen zur Verfügung steht. Darauf aufbauend sollen in entsprechender Weise Schließungsmodelle für den Stoffübergang aus den Gasblasen in die Flüssigkeit sowie chemische Reaktionen in der Flüssigphase qualifiziert werden. Dazu werden mittels verschiedener Modellvarianten erzielte Simulationsergebnisse mit geeigneten experimentellen Daten verglichen. Ein wesentlicher Parameter ist dabei die Zeitskala der chemischen Reaktion: Schnelle Reaktionen laufen im Wesentlichen in der Grenzschicht um die Blasen herum ab, langsame dagegen im Inneren der Flüssigphase. Ebenso spielt der Typ der Reaktion eine wichtige Rolle. Hinreichend validierte Schließungsmodelle unter Berücksichtigung derartiger Effekte liegen derzeit noch nicht vor. Stoffübergang und Strömungsdynamik sind miteinander gekoppelt, da infolge der Absorption die Blasengröße abnimmt, welche wiederum wesentlich die Strömung mitbestimmt. Hieraus können interessante und bislang kaum erforschte Phänomene resultieren. Wird beispielsweise entlang der Höhe der Blasensäule eine gewisse Blasengröße unterschritten, so kann ein Übergang vom heterogenen ins homogene Blasensäulenregime stattfinden, wobei sich die Gasverteilung wie auch die Strömungsform qualitativ ändern. Die Untersuchung solcher Zusammenhänge erweitert das grundlegende Verständnis reaktiver Blasenströmungen. Die Einbettung in das SPP1740 bietet zur Erreichung dieser Ziele hervorragende Möglichkeiten, da sich Modelle für den Stoffübergang an Blasen ohne und mit chemischer Reaktion aus den Arbeiten anderer Gruppen im SPP gewinnen lassen. Ebenso sind experimentelle Untersuchungen von Partnern im SPP an Apparaten im Labormaßstab zur Validierung der Modelle nutzbar, während umgekehrt Simulationsrechnungen zur Planung künftiger Experimente herangezogen werden können.
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
Institut für Fluiddynamik