Theoretische und numerische Untersuchung des reaktiven Stoffübergangs aus aufsteigenden Gasblasen

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Die Direkte Nummerische Simulation (DNS) von zweiphasigen Stoffaustauschprozessen über dynamisch deformierbare Phasengrenzflächen gewinnt zunehmend an Bedeutung für die Prozessintensivierung von fluiden Kontaktapparaten, wie sie in der chemischen Industrie auftreten. Der Grund hierfür liegt in den lokalen Informationen, die eine DNS insbesondere bei dynamisch deformierbaren Phasengrenzen im Vergleich zum Experiment liefert. Mit dem in der ersten Förderphase entwickelten neuen Ansatz inkl. Subgridskalen (SGS)- Modell zur besser Erfassung der dünnen Konzentrationsgrenzschicht an der Blasenoberfläche, sowie den zusätzlichen Methoden zur Verbesserung der Auflösung, wie die Reduktion des Rechengebietes durch Beschreibung der Blasenhydrodynamik in einem mitbewegten Koordinatensystem oder die Mitführung des Rechengebiets, künstliche Randbedingung zur Berücksichtigung der Verdrängungswirkung der Blase, sowie einer Gitterverfeinerung im Bereich der Blase sind nun Simulationen mit der für realistische Schmidt-Zahlen (100 - 500) nötigen Auflösung prinzipiell möglich. Um auch kleine Blasen mit starker Krümmung simulieren zu können, muss zusätzlich zum Arbeitsprogramm der ersten Förderphase das bei fluiden Zweiphasen-Simulationen immer auftretende Problem der parasitären Strömungen bewältigt werden. Durch die dazu unternommenen Schritte verzögerte sich die Einbindung der Speziestransportgleichung in die neue Gitterhierarchie, dies soll noch bis zum Beginn der zweiten Förderperiode durchgeführt werden. Die bisher erarbeiteten Methoden sollen in enger Abstimmung mit den experimentellen Verbundpartnern weiterentwickelt werden. Der bisherige Stand ermöglicht aber bereits jetzt eine Nutzung der Methoden zur DNS des (reaktiven) Stoffübergangs, so dass bereits zu Beginn der zweiten Förderphase der prinzipielle Einfluss des Blasendurchmessers z. B. auf die Selektivität bei ausgewählten prototypartigen komplexen Reaktionen in der Flüssigphase nummerisch untersucht werden kann. Neben der Weiterentwicklung und Verfeinerung der nummerischen Methoden soll deshalb nun auch physiko-chemisches Basisverständnis erarbeitet werden, das dem in der Praxis tätigen Ingenieur bei der Auslegung von Blasensäulen hilft. Hierbei sollen ergänzend auch quasi-instantane Reaktionen sowie das Verhalten in turbulenten Strömungen betrachtet werden.