Allgemeine Beschreibung

Bei vielen technischen Prozessen spielen Strömungen eine große Rolle. Häufig handelt es sich dabei um Strömungen einer Flüssigkeit oder eines Gases, in denen zusätzliche „fremde“ Bestandteile mitbewegt werden. Beispiele hierfür sind Russpartikel in PKW-Abgasen, kleinste Wassertropfen in Rauschgaswäscher von Kraftwerken, nichtmetallische Fremdpartikel in Stahlschmelzen, Gasblasen beim Sieden und Kavitation von Flüssigkeiten, Mischungs- und Separationsprozesse in medizinischen und pharmazeutischen Verfahren. Die Beschreibung von Strömungen mit Hilfe des Computers ist unter der Bezeichnung CFD („Computational Fluid Dynamic“) seit ca. 3 Jahrzehnten weit verbreitet. Demgegenüber hat die numerische Beschreibung von solchen Mehrphasenströmungen, auch unter der Kurzform MCFD („Multiphase Computational Fluid Dynamic“) bekannt, erst in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dies liegt an der mittlerweile erheblich gestiegenen Rechnerleistung, die für die numerische Beschreibung von Mehrphasenströmungen notwendig ist.

Beispiele für Mehrphasenströmungssysteme                                            

1. Oberflächenströmungen

Derzeit existieren unterschiedliche numerische Ansätze zur Beschreibung der Bewegung bzw. der dynamischen Wechselwirkung mehrerer fluider Medien, wie z.B. Gase in Metallschmelzen, Luftblasen in wässrigen Kühlsystemen und Bioreaktoren, Tropfen in Sprays. So kann etwa die Wellenbewegung auf der Oberfläche von Flüssigkeiten mit einer „Front-Tracking“-Methode, z.B. der „Volume-Of-Fluid“ Methode (kurz VOF Methode) numerisch dargestellt werden. Zur Beschreibung der Bewegung von Tropfen und Blasen werden hingegen die „Discrete-Particle“- oder „Discrete-Droplet“-Methoden (kurz DPM oder DDM, auch unter dem Begriff Euler-Lagrange Methode bekannt) verwendet.

2. Erstarrung und Wachstum von Kristallen

Die vielseitigste Methode im Bereich der Simulation von Mehrphasenströmungen ist

das so genannte Euler-Euler Verfahren, das eine wechselseitige Durchdringung von

mindestens zwei stark interagierenden und gemischten Fluiden voraussetzt. Die

Entwicklung von diskreten Phasen im tragenden Medium kann stochastisch durch die

„Population-Balance“-Methode (kurz PBM) beschrieben werden. Beispiele hierfür

sind Nukleation, Wachstum und Sedimentation von Kristallen bei der Erstarrung,

Einspritzung von flüssigem Krafttstoff in den Brennraum von Motoren oder Transport

eines Luft/Wasser-Gemisches in Kühlkreisläufen.

3. Dynamische Gestaltsveränderung:

Im Fall der dynamischen Gestaltsveränderung wird speziell die Interaktion von zwei

oder mehreren verschiedenen Medien (z.B.: Festkörper mit Fluid, siehe

Herzmuskelkontraktion) betrachtet. Die numerische Darstellung erfolgt durch die so

genannte Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) Methode. Man beschäftigt sich mit der

Auswirkung und gegenseitigen Beeinflussung vorgenannter Medien, wobei sich

diese Beeinflussung dynamisch ändern kann. Dies kann z.B. zur Deformationen von

Festkörpern führen, was wiederum sehr starken Einfluss auf die vorhandene

Strömung und Wirbelbildung hat. Die Methode der dynamischen Gestaltsveränderung kann nach entsprechender Erforschung mit der Mehrphasenströmung verknüpft werden. Hier wäre es möglich, die Abweichungen von umflossenen Festkörpern so zu modellieren, dass z.B. die Phasenaustauschprozesse wie Kavitation oder Luftblasendurchmesserentwicklung von lokaler Gestaltsveränderung beeinflusst werden können.

Wissenschaftliche Herausforderungen

Konkret gibt es derzeit eine Reihe wissenschaftlich/technischer Herausforderungen

im Bereich der Simulation von Mehrphasenströmungen, die nur durch intensive

grundlegende Forschungsarbeiten gelöst werden können. Dazu zählen:

• Numerische Beschreibung der thermischen, mechanischen und chemischen Wechselwirkung zwischen flüssigen/festen Objekten mit dem umgebenden Fluiden;
• Berücksichtigung von Oberflächenspannungs- und Reaktionseffekten;
• Berücksichtigung von Turbulenzeffekten bei Anwesenheit mehrerer Phasen;
• Numerische Beschreibung von Koagulation und Zerstäubung von fluiden

Objekten (dynamische Veränderungen von Größenverteilungen);

• Strömung durch poröse, und evt. reaktive Medien;
• Simultane Lösung einer Vielzahl von gekoppelten Differentialgleichungen;
• Transport von Flüssig-Gas-Feststoffgemischen unter Vermeidung von Entmischungen;
• Sedimenttransport;
• Trennung von Flüssig-Gas-Feststoffgemischen;
• Phasenübergang flüssig/gasförmig und Kavitationsbeeinflussung;
• Berücksichtigung von nicht-newtonschen Fließeigenschaften.