Reaktive Strömungen
Ausgewählte Forschungsprojekte
Lattice-Boltzmann für reaktive Strömungen
Verantwortlich: Dr.-Ing. Seyed Ali Hosseini, M.Sc. Tanya Neeraj
Die Lattice-Boltzmann-Methode, die eine effiziente Alternative zu klassischen CFD-Werkzeugen darstellt, kann auf komplexere Strömungen ausgedehnt werden, nämlich auf mehrere Spezies reagierende Strömungen. Zu diesem Zweck wurde unser hauseigener LB-Solver ALBORZ mit Modellen ausgestattet, die zusätzlich zur klassischen isothermischen Gitter-Boltzmann-Formulierung thermische Flüsse in heterogenen Medien simulieren - z.B. mit variablen Diffusionskoeffizienten und Wärmekapazitäten, wie poröse Medien, und inkompressible / thermokompressible multi-Spezies-reagierende Strömungen. Eine Vielzahl von Modellen zur Speziesdiffusion, von der sehr einfachen generalisierten Fick-Approximation bis zur Maxwell-Stefan-Gleichung für Mehrkomponentenströmungen, sind verfügbar. Neben den bereits erwähnten Modellen enthält ALBORZ auch ein diffuses Interface-Solver-Phase-Field für Multiphasenprobleme. Diese Modelle werden derzeit in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen eingesetzt, beispielsweise in medizinischen Strömungen, zur Simulation der Verbrennung, der Kristallisation oder für reagiernde Strömungen in Partikelpackungen.
Abbildung 1: Instantaneous velocity field in channel flow with heated obstacle at Re=3854 (based on the obstacle size).
Abbildung 2: Vorgemischte Flamme in Wechselwirkung mit isothermen Zylindern.
Optimale Reaktionsführung in flüssigen Mehrphasensystemen
Im Rahmen des DFG-Sonderforschungsbereich/Transregio TRR 63 „Integrierte chemische Prozesse in flüssigen Mehrphasensystemen" (InPROMPT), in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Prof. Sundmacher am MPI, Magdeburg.
Verantwortlich: Dr.-Ing. Peter Kovats, Dr.-Ing. Katharina Zähringer, Dr.-Ing. Michael Mansour
Siehe auch: http://www.inprompt.tu-berlin.de
Nachdem zunächst durch das MPI eine modellgestützte Methodik für den optimalen Reaktorentwurf für Gas/flüssig-Systeme unter Betrachtung ideal durchmischter Fluidballen entwickelt und ein Konzept für einen optimalen kontinuierlichen Reaktor für die Rh-katalysierte Hydroformylierung von 1-Dodecen zu Tridecanal in einem thermomorphen Lösungsmittelsystem (TMS) abgeleitet worden war, besteht das Ziel dieses Teilprojekts nun darin, die dafür benötigten Reaktoren zu charakterisieren. Das Reaktorverhalten wird dabei reaktionstechnisch bzw. transportphysikalisch unter Variation aller wesentlichen Struktur- und Betriebsparameter untersucht.
Hierzu erfolgen an verschiedenen Modellreaktoren (Rührreaktor Abb.1, Wendelreaktor Abb.3) Messungen der Geschwindigkeitsfelder mittels PIV und Tomo-PIV, auch unter Reaktionsbedingungen (10 bar, ca. 90°C, organische Lösungsmittel, Abb.1). Simultan dazu wird das Mischverhalten (Abb.2) und der Stoffübergang im System mittels fluoreszierender Indikatorreaktionen und laser-induzierter Fluoreszenz (LIF) charakterisiert.
Die experimentellen und numerischen Ergebnisse zeigen die deutlich verbesserte Mischung und Stoffübergang in den Helixreaktoren, die durch die Sekundärströmung mit Dean-Wirbeln hervorgerufen wird. Eine frühzeitige Umlenkung der Strömung nach einer bis maximal drei Windungen, wie sie in Coiled Flow Invertern oder Coiled Flow Reversern verwirklicht ist, erweist sich hierbei als vorteilhaft.
Abbildung 1: Vergleich von experimentell ermittelten mittleren Geschwindigkeiten in einem Rührreaktor mit Wasser (links), und zwei verschiedenen TMS-Systemen (Mitte und rechts), bei 9 bar Überdruck.
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| Abbildung 2: Masseanteile zweier mischbarer Flüssigkeiten in den Querschnitten verschieden geformter Helixreaktoren bei Re=500. | Abbildung 3: Dean Wirbel, gezeigt mittels 3D Q-Kriterium in einem Helixreaktor bei Re = 220 und De = 89: zeitgemittelte 3D PIV Messungen (violette Isoflächen) und numerische Simulation (rote Isoflächen). |
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Experimentelle Charakterisierung der Hydrodynamik und des gas-flüssig Stofftransfers in Blasensäulen
Im Rahmen des: DFG-Schwerpunktprogramms SPP 1740: „Reaktive Blasenströmungen“
Verantwortlich: Dr.-Ing. Peter Kovats, Dr.-Ing. Katharina Zähringer
Diese Projekte beinhalten die Untersuchung von Geschwindigkeitsfeldern von Flüssigkeit und Blasen, sowie deren Trajektorien und Größenverteilungen in Modellblasensäulen mittels optischer Messverfahren (Schattenverfahren, PTV, PIV). Ebenso werden Konzentrationsfelder zum Stoffübergang von Sauerstoff (Abb. 1) und CO2 in Wasser mit spezifischen Nachweisreaktion und Laser-Induzierter Fluoreszenz ermittelt. Die Ergebnisse werden in einer Datenbank interessierten Nutzern, z.B. zur Validierung numerischer Berechnungsmethoden, zur Verfügung gestellt.
Abbildung 1: Äquivalente Sauerstoffkonzentration in einer Blasensäule mit einer Blasenkette zu verschiedenen Zeiten t.
Aus den Daten können weiterhin Informationen zur blaseninduzierten Mischung erhalten werden, die wiederum der Modellbildung dienen. Ebenso werden die Formdaten der Blasen ausgewertet, um Modelle zur Vorhersage der Exzentrizität von Blasen zu erstellen, die auch für den Stofftransport von entscheidender Bedeutung ist. Um die in Blasenströmungen auftretende starke Schattenbildung, Brechung und Fokalisierung des Lichts zu berücksichtigen, wird in diesem Rahmen auch mit der 2-Tracer-Methode gearbeitet. Dabei wird ein zweiter, nicht-reagierender Fluoreszenzfarbstoff der Flüssigphase zugesetzt und mit einer zweiten Kamera simultan aufgenommen. Dieses Bild zeigt somit eventuell aufgetretene Verschattungen etc. und kann zur Normalisierung des pH-Wert-Bildes herangezogen werden (Abb. 2).
Abbildung 2: 2-Tracer-LIF zur Bestimmung des pH-Werts bei der Absorption von CO2
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DNS turbulenter Flammen
Verantwortlich: Dr.-Ing. Abouelmagd Abdelsamie, Dr.-Ing. Cheng Chi
Die Direkte Numerische Simulation (DNS) ist momentan das genaueste numerische Werkzeug zur Untersuchung turbulenter Flammenstrukturen. Durch DNS können die sehr feinen turbulenten Strömungsstrukturen aufgelöst, der Wärmeübergang und die chemischen Reaktionen können sehr detailliert beschrieben werden. Über 20 Jahre hinweg wurden drei DNS-Löser entwickelt: PARCOMB, p3 und DINO. DINO entspricht der neuesten Generation von DNS-Lösern. Er beruht auf einem low-Mach-Ansatz für die Simulation von turbulenten, reaktiven und Zweiphasen-Problemen. DINO verwendet 6. Ordnung, zentrierte finite Differenzen für die räumliche Diskretisierung, wohingegen verschiedene zeitliche Integrationstechniken angewandt werden: 4. Ordnung explizite Runge-Kutta Methode, 3. Ordnung halb-implizite Runge-Kutta Methode und impliziter Radau-5 Integrator. Physikalische, thermische und Transporteigenschaften, sowie die chemische Kinetik werden in DINO mit Cantera 1.8 und/oder Eglib 3.4 berechnet. DINO kann auf verschiedenen Clustern und Supercomputern verwendet werden: z.B. zeigt Fig. 1 die Skalierkurve von DINO-Simulationen auf SuperMUC. Die Animationen 1, 2 und 3 zeigen Beispiele von DINO-Simulationen mit turbulenten, reaktiven Strömungen: (1) ein sich zeitlich entwickelnder Jet, (2) sphärische Flamme, (3) ein sich räumlich entwickelnder Jet.
Abbildung: Parallele Skalierbarkeit von DINO auf dem SuperMUC-Supercomputer
Animation: Temperaturisofläche eines sich zeitlich entwickelnden Jets einer reaktiven Ethylen/Luft-Mischung.
Animation: Temperaturisofläche einer sphärischen Flamme einer reaktiven Synthesegas/Luft-Mischung.
Animation: Isofläche der Wärmefreisetzung (rot), Q-Kriterium (weiß) und 2D-Fläche der Temperatur eines sich räumlich entwickelnden Jets einer Wasserstoff/Luft-Mischung
DNS von Spray-Flammen
Verantwortlich: Dr.-Ing. Abouelmagd Abdelsamie
Eine genaue Beschreibung von reagierenden Spray-Strömungen ist mit großen Herausforderungen verbunden. Mittels Direkter Numerischer Simulation (DNS) können die Details der komplexen physikalischen und chemischen Prozesse der Spray-Verbrennung erfasst werden. Allerdings ist dies mit einem sehr hohen Aufwand an Rechenzeit verbunden. Die Hauptziele in diesem Bereich sind die Spray-Verdunstung und Selbstzündung in turbulenten Strömungen unter dem Einfluss der Scherung zu untersuchen. Die Wechselwirkungen zwischen Tropfen, Turbulenz und Flammenstruktur werden bestimmt durch die Untersuchung der Topologie der Reaktionsfronten, charakterisiert durch Mischungsverhältnisse, skalare Dissipationsrate, Flammenindex und auch Temperatur und Wärmefreisetzung. Alle nachfolgenden Simulationsergebnisse wurden mit dem eigenen Programm DINO und n-Heptan als Brennstoff erhalten.
Animation: Spray in homogener, isotroper Turbulenz: blaue Isofläche der n-Heptan Konzentration in der heißen Gasmischung (Luft); gelbe Kugeln mit schwarzen Pfeilen zeigen die flüssigen n-Heptan Tropfen mit ihren Geschwindigkeitsvektoren; 2D-Schnitte zeigen die Temperatur der Gasmischung.
Abbildung: Spray in einem sich zeitlich entwickelndem Jet: rote Isoflächen zeigen Temperaturen von 1800 K; gelbe Isoflächen entsprechen dem Q-Kriterium, das die kohärente Turbulenzstruktur zeigt; graue Kugeln repräsentieren die Tropfengröße vergrößert zur besseren Sichtbarkeit.
Animation: Sprayeindüsung in heiße Luft: 2D Schnitte zeigen die Gastemperatur; Kugeln entsprechen den Tropfen.
Detaillierte Chemie und Schadstoffsimulationen
Verantwortlich: Dr.-Ing. Abouelmagd Abdelsamie, Dr.-Ing. Cheng Chi, apl. Prof. Gábor Janiga
Der größte Anteil der Energieproduktion weltweit beruht auf der Verbrennung. Ein genaues Verständnis dieser Prozesse ist von allererstem Interesse um bestehende Anlagen zu optimieren für eine höhere Effizienz bei gleichzeitig geringerer Produktion von Schadstoffen. Numerische Simulationen können hierbei von großem Nutzen sein. Hierbei sind Direkte Numerische Simulationen (DNS) die einzige Möglichkeit, die komplexen physikalisch-chemischen und turbulenten Wechselwirkungen möglichst genau zu untersuchen. Solche Simulationen benötigen einen extrem hohen Rechenaufwand, da für jede Spezies eigene Transportgleichungen verwendet werden. Darum wurden vereinfachte chemische Modelle (FPI/FGM) in unser neuestes DNS-Werkzeug DINO integriert, wobei jedoch die detaillierte Beschreibung der Strömung beibehalten wird. Diese Vereinfachung verringert die hohe Zahl von benötigten Transportgleichungen und somit den Rechenaufwand. Die Qualität der vereinfachten chemischen Modelle wird im Vergleich zu detaillierten Simulationen für akademische und praktische turbulente Anwendungsfälle getestet.
Die folgende Animation zeigt DNS-Ergebnisse in einer Ethylen/Luft Strömung. Das reduzierte chemische Modell (FPI) zeigt eine exzellente Übereinstimmung mit der detaillierten Chemie für niedrig-turbulente Anwendungen. Diese vereinfachte Chemie ist 10-Mal schneller als eine Simulation mit detaillierter Chemie (32 Spezies, 206 Reaktionen).
Laminare reaktive Strömungen können auch in vielen technischen Anwendungen angetroffen werden, z.B. Haushaltsbrenner. Eine Modellierung solcher Probleme ist ebenfalls von großem Interesse für die weitere Optimierung solcher Anwendungen. Für diese wurde das Open-Source Werkzeug OpenFOAM erweitert um die Beschreibung von laminarer Verbrennung mit detaillierter Chemie und Multi-Spezies Transport.
Chemische Reaktionen in einem Statischen Mischer
Verantwortlich: Dr.-Ing. Katharina Zähringer
Teilprojekt „Numerische Simulation statischer Strömungsmischer mit experimenteller Validierung„ des SPP 1141 „Analyse, Modellbildung und Berechnung von Strömungsmischern mit und ohne chemische Reaktionen“ http://gepris.dfg.de/gepris/projekt/5471746
Statische Mischer sind Rohre oder Kanäle mit feststehenden Einbauten zur Mischung von Fluiden. Dabei wird die Strömungsenergie der Fluide zur Mischung genutzt. Der hier verwendete statische Mischer aus verzahnten Stegen (Bild 1) ähnelt dem kommerziellen Mischer vom Typ SMX (Bild 2) zum Homogenisieren bzw. Suspendieren.
Bild 1 Bild 2
Während der laminaren Vermischung treten stark unterschiedliche lokale Konzentrationen hinter dem Mischer auf, die mittels geeigneter Indikatoren (fluoreszierende Farbstoffe) visualisiert werden können - allerdings nur auf den „Ebenen“ Makromischen bzw. Mesomischen.
Hauptziel der experimentellen Untersuchungen dieses Projekts war daher die Validierung und Weiterentwicklung von Messmethoden, um auch das Mikromischen experimentell abbilden zu können. Die so erhaltenen Ergebnisse können dann auch als Grundlage zur Validierung numerischer Werkzeuge dienen.
Zum Visualisieren des Mikromischens kann eine chemische Reaktion zwischen den zu mischenden Fluiden herangezogen werden, da die Reaktion eine Vermischung auf molekularer Ebene voraussetzt. Dabei sollte bestenfalls ein Gemisch aus zwei fluoreszierenden Farbstoffen verwendet werden. Ein Farbstoff ist inert und dient als Indikator für das Makromischen. Der zweite Farbstoff ändert durch die chem. Reaktion mit bestimmten Ionen seine fluoreszierenden Eigenschaften (Änderung der Emissionswellenlänge und ggf. Verstärkung der Fluoreszenzintensität) und dient als Indikator für das Mikromischen. Die Konzentrationsfelder des inerten und des reagierenden Farbstoffes können so simultan gemessen werden.
Eine Neutralisationsreaktion kann hierbei zum Einsatz kommen, deren Verlauf mittels eines fluoreszierenden pH-Indikators beobachtet werden kann. Insbesondere Fluorescein eignet sich hierbei besonders, da es kostengünstig ist, sowie eine starke Fluoreszenz und eine hohe Quantenausbeute (93 %) besitzt.
In der Kombination mit einem inerten Farbstoff (z.B. Pyridin 2) kann somit simultan das Makro- und Mikro-Mischen aufgezeichnet werden (Bild 3).
Pyridin 2 Konzentration pH gemessen mit Uranin
Bild 3: Simultane Messung von Macro-Mischung (links) und Micro-Mischung (rechts)
Plasmagestützte Verbrennung
Verantwortlich: Dr.-Ing. Katharina Zähringer
in Zusammenarbeit mit der Univ. Stuttgart, AG Prof. Riedel, und HMTI Minsk.
Die durch Emissionen hervorgerufenen gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen zu einer Verschärfung der tolerierbaren Normen für Verbrennungssysteme. Die heutzutage angewandten Methoden, basierend auf einer besseren Regelung des Betriebspunktes in der Brennkammer oder auf einer nachfolgenden katalytischen Reinigung, sind effizient, stoßen aber immer mehr an ihre Grenzen. Eine der Alternativen, ist die Verwendung von elektronisch angeregten Spezies während der Verbrennung. Dies soll das Betriebsverhalten ändern und die direkten Emissionen mindern oder in einer zweiten Stufe, Schmutzstoffe zersetzen und unschädlich machen. Diese Fragestellungen wurden im Rahmen des vorliegenden Projektes sowohl experimentell, wie auch numerisch eingehend untersucht.
Abbildung: Einfluss des Plasmas auf die Flamme
Optische Messverfahren in der Verbrennungsforschung
Verantwortlich: Dr.-Ing. Katharina Zähringer
Experimentelle Untersuchungen der Flammenstruktur sind wichtig im Hinblick auf ein besseres Verständnis der Schadstoffbildung und der Flammenstabilisierung. Sie helfen ebenfalls bei einem besseren Verständnis der turbulenten Verbrennung und der Modellbildung, sowie zur Validierung numerischer Programme und Verfahren.
Untersuchungen in diesem Bereich betreffen z.B. die Bestimmung des CH Radikals durch Laser Induzierte Fluoreszenz. Das CH Radikal markiert die Flammenfront und wird in Folge dessen häufig bei Untersuchungen der Flammenstabilisation verwendet. Es spielt ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Bildung des prompten NO. Die CH Konzentration wurde beispielsweise in vorgemischten und nicht-vorgemischten Gegenstrom-Flachflammen in verschiedenen Konfigurationen mittels LIF ermittelt.