Validierung und Entwicklung von numerischen Modellen der Blasenbewegung und der Blasengrößenverteilung in begasten Rührbehältern

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Für die Modellierung von Zweiphasenströmungen und speziell der Dispersion und Koaleszenz von Gasblasen wurden in den letzten Jahren eine Vielzahl von Modellansätzen entwickelt. Damit stellt sich die Aufgabe, den Gültigkeitsbereich und die Genauigkeit der in die Modelle einfließenden Annahmen und Näherungen zu überprüfen beziehungsweise diejenigen Modelle und Werte von Modellparamtern zu identifizieren, welche experimentelle Ergebnisse über einen möglichst weiten Bereich gut reproduzieren. Als Basis für solche Validierungsuntersuchungen soll im geplanten Vorhaben kommerzielle CFD-Software eingesetzt werden. Diese Werkzeuge bieten mittlerweile umfangreiche Möglichkeiten zur Modellierung von Mehrphasenströmungen an. Auch wenn die Hersteller bestrebt sind, in erster Linie bewährte und robuste Modelle zu implementieren, die nicht immer dem neuesten Stand der Wissenschaft entsprechen, so bieten kommerzielle CFD-Pakete zumindest einen Rahmen, in den über vordefinierte Schnittstellen auch komplexere Modelle von Zweiphasenströmungen sehr effizient implementiert und zur Anwendung gebracht werden können. Zur Validierung der Modelle werden experimentelle Daten von Strömung, Blasenbewegung und Blasengrößenverteilung in einem 6-Blatt Scheibenrührer und einem 6-Blatt Schrägblattrührer herangezogen, die bereits am Lehrstuhl verfügbar sind bzw. im Rahmen des Folgeantrages von Professor T. Sattelmayer zum Vorhaben 'Blasenspektrum, Blasenbewegung und Fluiddynamik der kontinuierlichen Phase in begasten Rührbehältern' noch zu generieren sind. Die beiden Rührerkonfigurationen weisen deutlich unterschiedliche Strömungsmuster und Blasenverteilungen auf, und stellen so eine echte Herausforderung für die Vorhersagekraft jedes Modells der Blasenbewegung und Populationsdynamik dar. Ziel der Validierungsstudie ist es, die in den Reaktoren auftretenden Strömungsregimes und die zugehörigen kritischen Rührerdrehzahlen numerisch zu reproduzieren. Dank der sehr detaillierten experimentellen Daten ist es möglich, im Rahmen der Validierungsarbeiten auch Modellvorstellungen bezüglich der die Blasengrößenverteilung bestimmenden Prozesse der Blasendispersion und -koaleszenz zu hinterfragen und falls nötig die entsprechenden Untermodelle weiter zu entwickeln. Bei Gasgehalten von bis zu 10 % werden Reaktorbeladungen untersucht, wie sie im technischen Einsatz häufig anzufinden sind. Aufbauend auf den Erkenntnissen der Validierungsstudie soll ein neuer statistischer Modellansatz für Blasengrößenverteilungen, basierend auf Transportgleichungen für Mittelwert und Varianz der Blasengrößen und den zugehörigen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen, entwickelt und evaluiert werden, von dem in hohem Maße numerische Effizienz und Robustheit erwartet werden darf.