Forschung im HLRN-Verbund 2011

134Simulation von turbulenten Mischungsvorgängen in FlüssigkeitenUntersuchung von reaktiven turbulenten Mischungsvorgängen bei hohenSchmidt-Zahlen mit besonderer Berücksichtigung der MikromischungM. Walter, N. Kornev, E. Hassel, Lehrstuhl fürTechnische Thermodynamik, Lehrstuhl für Modellierungund Simulation, Universität RostockKurzgefasst• Die numerische Simulation von turbulenten reaktivenMischungsprozessen in Flüssigkeiten istmit komplexen Problemen verbunden, derenLösung häufig den Einsatz von großen Rechenkapazitätenerfordert.• Das Globalziel des Vorhabens ist die Verbesserungund Weiterentwicklung von LES-Feinstrukturmodellenzur genaueren Vorhersage derMischungs- und Reaktionsraten bei turbulentenreaktiven Mischungsprozessen in Flüssigkeiten.• In diesem Projekt wird mittels LES vor allem dieMikromischung untersucht und die kleinskaligenStrukturen, welche für alle diffusiven Prozessenvon großer Bedeutung sind, hinsichtlich Formund Verhalten analysiert.• Bisherige Simulationen haben gezeigt, dass dieetablierten LES-Feinstrukturmodelle bei großenReynolds- und Schmidt-Zahlen nur unzureichendeErgebnisse liefern.• Ein vielversprechender Ansatz zur Simulationvon Strömungen bei großen Reynolds- undSchmidt-Zahlen und moderaten Auflösungen bestehtin einem neuen nichtlinearen LES-Verfahren,das auf einem multifraktalen Modell basiert.Turbulente Mischungsprozesse sind für eine Vielzahltechnischer Anwendungen von großer Relevanz.Insbesondere im Rahmen der chemischenVerfahrenstechnik kommt, aufgrund vonkomplexen Reaktionen zwischen den vermischtenStoffen, dem elementaren Verständnis überdie physikalischen Vorgänge in turbulenten Mischungsprozesseneine signifikante Bedeutungzu. Mischungsvorgänge in turbulenten reaktivenStrömungen werden vornehmlich durch konvektiveTransportprozesse und molekulare Diffusion beeinflusst.Das Verhältnis daraus ist die dimensionsloseSchmidt-Zahl, welche zur Charakterisierungdes Stofftransports in der Strömung dient.Abhängig von den Zeitskalen der makroskopischenund mikroskopischen Mischung stellen sichdabei unterschiedliche Mischungszustände ein.Mit Hilfe von numerischen Simulationen kanndas Verhalten der Strömung bzw. der Mischungvorhergesagt werden, so dass aufwändige experimentelleUntersuchungen entfallen können. Dazuist es jedoch notwendig, das betrachtete Gebietbis zu den kleinsten Wirbeln (Kolmogorov Länge)aufzulösen. Bei der Mischung von Stoffströmen,insbesondere unter Berücksichtigung von chemischenReaktionen, müssen aufgrund von kleinskaligendiffusiven Prozessen weitere skalare Strukturenberücksichtigt werden, die abhängig vomFluid bis zu mehrere Größenordnungen kleinersein können als die Kolmogorov Länge (z.B. inWasser bis zu 100 mal kleiner). Dieser kleinskaligeBereich wird auch als Batchelor Länge bezeichnet.Mittels direkter numerischer Simulationen (DNS)können alle Strukturen während des turbulentenMischungsprozesses erfasst werden. Von Vorteilist hierbei die geschlossene Form des zu lösendenGleichungssystems, so dass eine Modellierungeinzelner Terme entfällt. Jedoch sind industrierelevanteAnwendungen in der Regel von starkerTurbulenz und großen Reynolds-Zahlen geprägt,so dass eine DNS oftmals an den enormenAnforderungen an Rechenkapazität und Rechenzeitscheitert. Häufig werden deshalb ReynoldsgemittelteSimulationen (RANS) oder Grobstruktursimulationen(LES) zur Berechnung von turbulentenreaktiven Mischungsvorgängen eingesetzt,da diese Verfahren das Gebiet nur teilweiseauflösen und somit geringere Rechenkapazitätenund Rechenzeiten benötigen. Die erforderlicheModellierung der Turbulenz sowie der Turbulenz-Chemie Interaktion muss dabei durch geeigneteVerfahren erfolgen. Der Rechenaufwand im Rahmeneiner RANS oder LES liegt jedoch unter demeiner DNS. Ein bisher ungelöstes Problem in derLES-Modellierung besteht in der Berücksichtigunghoher Schmidt-Zahlen. Die derzeitigen etabliertenLES-Modelle sind nicht in der Lage den Einflussgroßer Schmidt-Zahlen hinreichend genau abzubildenohne das Rechengebiet extrem zu verfeinern.Das Ziel des Projekts ist die Untersuchung derkleinskaligen turbulenten Strukturen, die sich beider Mischung der zugeführten Stoffströme bilden.Es sollen dabei neue Erkenntnisse überdas Verhalten sowie die Form und Größe derfür diesen Bereich typischen Strukturen gewonnenwerden, um die bisherige LES-Modellierungvon Strömungen mit hohen Schmidt-Zahlen zu verbessern.Weiterer Gegenstand der Untersuchungist auch die Auswirkung von chemischen Prozessenauf diese Strukturen sowie ihre gegenseitigeBeeinflussung. Im Rahmen des ProjektsIngenieurwissenschaften