Die Arbeitsgruppe Computational Fluid Dynamics (CFD) beschäftigt sich mit der Anwendung und Entwicklung CFD-basierter Methoden zur Beschreibung von technisch relevanten verfahrenstechnischen Prozessen. Diese zeichnen sich häufig durch eine starke Kopplung von Transportphänomenen auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen aus. Daher ist eine effiziente rigorose CFD-basierte Beschreibung dieser Systeme oft nicht möglich.

Im Fokus der Arbeitsgruppe steht daher die Entwicklung effizienter Methoden zur Beschreibung und Optimierung industrie-relevanter Prozesse durch:

1. Die Kopplung von CFD mit spezialisierten externen Tools, z.B. zur Berechnung von Reaktionskinetiken oder der vereinfachten Reaktormodellierung.
2. Die Entwicklung von Coarse-Graining-Ansätzen für CFD-DEM-Simulationen.
3. Die Kombination von CFD und klassischen Prozessmodellierungstools. Hier dient die CFD zur Bestimmung der für die Prozessmodellierung notwendigen effektiven Transportparameter.
4. Die Erarbeitung effizienter Vernetzungsstrategien.

Applikationsseitig steht zum einen die ortsaufgelöste Simulation von katalytischen Festbettreaktoren im Fokus. Hierbei werden auf mesoskopischer Skala Konzepte zur Intensivierung des radialen Wärmetransports, z.B. durch Variierung der Partikelform oder durch Plazierung von Einbauten im Reaktorrohr, untersucht. Desweiteren können basierend auf den CFD-Simulation effektive Transportparameter bestimmt werden, welche im Anschluss auf Prozesssimulationsebene genutzt werden können. Zum anderen werden durch hochaufgelöste DNS-Simulationen turbulente Schließungsbedingungen weiterentwickelt.

Ein zweiter Applikationsschwerpunk ist die Simulation von fluidisierten partikulären Systemen auf Grundlage der Diskreten Elemente Methode (DEM). Für Simulationen im Industriemaßstab ist die DEM aufgrund des sehr hohen Rechenbedarf derzeitig nicht einsetzbar. Es werden daher verschiedene Coarse-Graining-Ansätze grundlegend untersucht und erweitert. Ziel ist es, mittels Coarse-Grained DEM, die Fluiddynamik und Transportprozesse in großtechnischen Anlagen zuverlässig beschreiben zu können.

Die CFD-basierte Optimierung von gerühreten Systemen stellt einen dritten Themenschwerpunkt dar. Hier ist insbesondere die Bestimmung der Mischzeit, aufgrund der notwendigen zeitaufgelösten Simulationen, mit einem hohen numerischen Aufwand verbunden. Diesen gilt es zu verringern, um Optimierungsstudien effizient durchzuführen. Durch Verwendung der Mean Age Theory ist es prinzipiell möglich die Bestimmung der Mischzeit in ein stationäres Problem zu übertragen. Inwieweit dies zu validen Ergebnissen führt, ist Schwerpunk unserer Arbeit.

Die Entwicklung eines CFD-basierten „Digitales Abbildes“ für SCR-Systeme (Selektive katalytische Reduktion) ist ein weiterer Applikationsschwerpunkt. Damit die ab 2023 nach der 44. BImSchV (Bundes-Immissions-Schutz-Verordnung) sehr strengen Emissionsregeln eingehalten werden können, müssen sehr sauber arbeitenden SCR-Systeme entwickelt werden. Diese sind notwendig, um in Zukunft saubere und CO2-neutrale Biomasse in Blockheizkraftwerken (BHKW) nutzen zu können. Basierend auf einem Lagrangeschen Simulationsframework werden Methoden entwickelt, um sowohl die Sprayausbreitung, als auch Tropfenverdampfung, mögliche Wandinteraktionen (ggf. mit Filmbildung) und die Transportvorgänge in der Gasphase zu beschreiben.