Dynamik und Betrieb technischer Anlagen

Transportphänomene

Ziel dieses Forschungsbereichs ist die Entwicklung, Validierung und Verbesserung ausgewählter Methoden zur Untersuchung von Transportphänomenen wie Wärme-, Massen- oder Impulstransport auf der Mikroebene. Für viele Phänomene besteht noch ein Wissensdefizit im Verständnis. Mit systematischen experimentellen und numerischen Untersuchungen wollen wir dazu beitragen, diese Lücke für bestimmte Systeme zu schließen. Im Fokus stehen hier Film-, Rinnsal- und Tropfenströmung an freien Oberflächen oder Wärmeübertragung zwischen Partikeln und Wänden. Mit den gewonnen Erkenntnissen soll die Grundlage für Prozessoptimierung auf Basis physikalischer Transportphänomene geschaffen werden.

Forschungsansatz

  • Entwicklung und Validierung neuer Methoden zur experimentellen und numerischen Untersuchung von Transportphänomenen
  • Planung und Optimierung von Messzellen zur Untersuchung von Transportphänomenen
  • Simulationen zur Beschreibung von physikalischen Phänomenen auf Mikroebene
  • Detaillierte Untersuchungen von Flüssigkeitsfilmen auf strukturierte Oberflächen, wie sie in der Industrie genutzt werden
  • Kopplung von experimentellen und numerischen Methoden zum gesamtheitlichen Verständnis
  • Ermöglichung zur Prozessoptimierung auf Basis physikalischer Erkenntnisse

Kontakt

Raum KWT-N

Forschungsgebiete

Flüssigkeitsströmungen in verfahrenstechnischen Anlagen

3D-Geschwindigkeits- und Konzentrationsprofile auf geneigten mikro- und makrostrukturierten Oberflächen

Das 3D-Geschwindigkeitsfeld von Flüssigkeiten über komplexen Oberflächen wird mit einem Stereo-µ-Particle Image Velocimetry (µSPIV) Aufbau untersucht. Der Einfluss von Mikro- und Makrostrukturen auf den Impulstransport wird untersucht, um Strömungsmuster und Strukturen in strukturierten Packungen von Chemieanlagen grundlegend zu verstehen. Lokale Konzentrationsfeldmessung und die Bestimmung der Filmdickenverteilung erfolgen mittels Planar Light Induced Fluorescence (LIF). Durch die Kombination beider Methoden für simultane Messungen kann der Einfluss dieser Strukturen auf den Stofftransport durch induzierte Manipulationen an den Filmstrukturen, z.B. durch Wirbel, quantifiziert werden.

Untersuchung von Filmdicke und Benetzungsphänomenen auf komplexen Oberflächen

Um die Strömung von Flüssigkeitsfilmen zu verstehen, sind charakteristische Eigenschaften wie Dicke und Benetzungsverhalten entscheidend. Um genaue Modelle für die Gestaltung von Trennprozessen zu entwickeln, werden grundlegende Experimente sowohl mit lichtinduzierter Fluoreszenz als auch mit strukturiertem Licht-Scanning durchgeführt.

DNS-Simulationen mit Cahn-Hilliard Navier-Stokes

Dynamische Kontaktliniensimulationen von Tropfen und Rinnsalen auf Festkörperoberflächen werden mit einem hauseigenen Code auf Basis der Cahn-Hillard-Navier-Stokes-Gleichungen durchgeführt. Der Finite-Elemente-Code wurde speziell als modulares System entwickelt, um Teilmodelle und Formulierungen für Energiepotentiale effizient gegeneinander testen zu können. Dieser Code wird um ein Stofftransportmodell erweitert werden, um die Einflüsse des Strömungsfelds auf den Stofftransport zu beschreiben.

Entwicklung von Messzellen für die hängende Filmströmung

Durch die Entwicklung von Messzellen mit eindeutig definierten Randbedingungen soll die Fluiddynamik in hängenden Filmen und das Abtropfverhalten beschrieben werden. Hierbei wird die Filmdicke mit optischen Methoden identifiziert. Experimentelle Parameteridentifikation dient zur Analyse und Beurteilung der Strömungsphänomene von flüssigen Filmströmungen.

Gasfluss in Prozessanlagen

CFD-Simulationen für ein Modell im Meso-Maßstab

Volume of Fluid (VoF)-Simulationen für ein- und zweiphasige Strömungen werden mit OpenFOAM® für verschiedene Umgebungen durchgeführt. Die Validierung kann auch durch spezifische experimentelle Untersuchungen sichergestellt werden. Auf dieser Basis wird ein neues Meso-Scale Modell zur Simulation von Füllkörperkolonnen entwickelt.

Direkte numerische Simulation der konjugierten Wärmeübertragung

Um Grundlagenforschung auf dem Gebiet des Wärmeübergangs zwischen rollenden Partikeln und Wänden zu betreiben, wurde mit OpenFOAM® ein eigener Finite-Volumen-Solver auf der Basis des Standard-Solvers chtMultiRegionFOAM entwickelt. Das System wurde im laminaren und turbulenten Strömungsregime mit Direkten Numerischen Simulationen sowohl hinsichtlich der Turbulenz als auch des Wärmeübergangs untersucht.