Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von CFD-Software haben zu einer weiten Verbreitung dieser Berechnungs- und Simulationstechniken geführt. Leistungsfähige und kostengünstige Hardware erschließt diese Programme inzwischen auch kleinen Unternehmen.
Dipl.-Ing. Henning Eickenbusch
Viele Prozesse in der Chemischen Industrie wie Mischen, Trennen oder Trocknen lassen sich durch den Einsatz von CFD-Software simulieren, auslegen und verbessern. Typische Zielgrößen sind Druckverlust, Wärmeübergang, Ausbeute, Umsatz, Selektivität und das dynamische Verhalten. Durch den Softwareeinsatz lassen sich Kosten für experimentelle Untersuchungen senken und Entwicklungszyklen verkürzen. Aufgrund der stark gesunkenen Preise für leistungsfähige Rechnersysteme können inzwischen auch kleinere Unternehmen CFD-Programme nutzen. Die Einsatzbereiche erstrecken sich von der Berechnung kompletter Turbomaschinen und Pumpen, über Raumluft- und Gebäudeströmungen bis zu den verschiedensten Anwendungen im Bereich der Verfahrenstechnik.
Simulation eines Reaktors
Grundlage für die Berechnung eines Reaktors mit einem CFD-Programm wie CFX-4 ist das Lösen der Impulsgleichungen (Navier-Stokes-Gleichungen), der Kontinuitätsgleichung und der Energiegleichung für ein Fluid. Dazu wird meist ein Finites-Volumen-Verfahren verwendet. Es zerlegt den Reaktor in viele kleine Segmente, löst die Erhaltungsgleichungen und ermittelt so die Informationen zu Strömungsgrößen wie Druck, Geschwindigkeit und Temperatur. Bei reagierenden Stoffsystemen werden für die einzelnen Stoffkomponenten zusätzliche Erhaltungsgleichungen berechnet. Hierbei entscheidet u. a. die Durchmischung der Komponenten über Umsatz, Ausbeute und Selektivität und somit auch über die Kosten eines Prozesses.
Turbulenz auf molekularer Ebene
Auf molekularer Ebene ist die Turbulenz einer Strömung von besonderem Interesse. Sie beschreibt die zufällige Bewegung von Fluidteilchen und wird durch Wirbel charakterisiert, deren Größenordnung von wenigen Millimetern bis zu den Abmessungen des Bauteils reichen. Turbulente Strömungen werden exakt durch die Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben. Eine direkte Lösung ist jedoch nahezu unmöglich, da die Gleichungen für das gesamte Spektrum der auftretenden Wirbelgrößen gelöst werden müßten. Daher werden die Gleichungen zeitlich gemittelt. Auf diese Weise entstehen zusätzliche Gleichungsterme mit neuen Unbekannten, die sogenannten „Reynoldsspannungen“. Sie werden mit Hilfe von Turbulenzmodellen wie Standard-k-e-, Low-Re- oder dem Reynolds-Spannungs-Modell berechnet.
Lösen von Mehrphasenströmungen
In der Verfahrenstechnik spielen vor allem Mehrphasenströmungen in Blasensäulen, beim Suspendieren von Feststoffen sowie in Trocknungs- und Sprayprozessen, eine wichtige Rolle (Abb.). Sie sind in reagierende oder nichtreagierende Stoffsysteme mit und ohne Wärme- und Stoffaustausch zwischen den einzelnen Phasen gegliedert. Zur Lösung solcher Probleme gibt es grundsätzlich zwei praxisrelevante Verfahren. Beim sogenannten „Euler-Euler-Verfahren“ werden die Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie für jede Phase einzeln berechnet. Beim „Lagrange-Verfahren“ wird eine zweite, disperse Phase durch einzelne Partikel repräsentiert, deren Bewegung in einer kontinuierlichen Phase berechnet wird. Beide Verfahren berücksichtigen Wechselwirkungen zwischen den Phasen, der Einsatz des jeweiligen Modells hängt jedoch von den Randbedingungen ab. Wesentliches Kriterium ist der Anteil der unterschiedlichen Phasen, da beim „Lagrange-Verfahren“ der Anteil der dispersen Phase limitiert ist.
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