Numerische Simulation von Stofftransportphänomenen an bewegten fluiden Phasengrenzen mit Hilfe von CFD-basierten Methoden

In dieser Arbeit werden Stofftransportvorgänge an bewegten fluiden Partikeln mit Hilfe numerischer Methoden untersucht. Dazu wird das open-source CFD (Computational Fluid Dynamics) Paket OpenFoam verwendet. Die bewegliche Phasengrenze wird dabei mit einer Level-Set-Methode beschrieben.

Es wurden zwei Methoden zur Erfassung der Stofftransportvorgänge entwickelt. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation werden diese ausführlich beschrieben und validiert. Die erste Methode verwendet große Manipulationsparameter, um die Randbedingungen an der Phasengrenze zu erzwingen. Bei der zweiten Methode wird die Phasengrenze mittels eines PLIC (piecewise linear interface construction) Algorithmus rekonstruiert und die Randbedingungen direkt an der rekonstruierten Grenzfläche formuliert. Die zweite Methode wird darüber hinaus für die Simulation von Mehrkomponentenstofftransport inklusive der dabei

auftretenden Diffusionskreuzeffekte erweitert.

Die beiden Methoden können den Stofftransport in flüssig-flüssig Systemen mit moderater Bewegung der Phasengrenze zuverlässig beschreiben. Im Falle von gas-flüssig Systemen oder großer Bewegung der Grenzfläche kann Stofftransport jedoch nur mit der PLIC-basierten Methode hinreichend genau erfasst werden. In umfangreichen Studien wird herausgearbeitet, dass die akkurate Auswertung der dünnen Konzentrationsgrenzschicht und die Vermeidung von numerisch bedingtem, unphysikalischen Stoffübergang die wichtigsten Kriterien für die Genauigkeit der Methoden sind.

Abschließend wird der Einfluss von Diffusionskreuzeffekten in quaternären Stoffsystemen sowie von Marangoni-Effekten auf den Stoffübergang mit Hilfe der PLIC-basierten Methode aufgezeigt.