Schwerpunktprogramm 1141: Analyse, Modellbildung und Berechnung von Strömungsmischern mit und ohne chemische Reaktionen

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1 Schwerpunktprogramm 1141: Analyse, Modellbildung und Berechnung von Strömungsmischern mit und ohne chemische Reaktionen Numerische Simulation statischer Strömungsmischer mit experimenteller Validierung. Teil Magdeburg Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungstechnik (LSS) Zusammenfassung Gegenstand des Gesamtprojekts ist die Simulation von Strömung und Mischungsverhalten statischer Mischer. Dabei wird in erster Linie auf die Phänomene, die auf sehr kleinen Skalen passieren Wert gelegt. Zur Berechnung einer solchen Strömung müssen ausgereifte Modelle eingesetzt werden, die in der Lage sind einerseits die turbulenten Fluktuationen als auch andererseits die Diffusionsprozesse auf Subskalenebene adäquat zu repräsentieren. In Bezug auf die Turbulenzmodellierung ist daher die Grobstruktursimulation (englisch Large-Eddy Simulation (LES)) ins Auge gefaßt worden, da dabei nur die auf dem Rechengitter nicht mehr darstellbaren Strömungsstrukturen modelliert werden müssen. Würde ein statistisches Turbulenzmodell eingesetzt, müßten alle Skalen durch das Modell abgebildet werden und man würde außerdem nur eine zeitlich gemittelte Darstellung bekommen. Diese sogenannten RANS-Ansätze sind in keiner Weise in der Lage, eine zeitliche Entwicklung abzubilden und kommen daher für dieses Vorhaben nicht in Frage. Bei LES werden die Subskalen durch die kleinsten darstellbaren Strukturen modelliert. Dieses Vorgehen ist jedoch für die hochkomplexen Prozesse durch molekulare Diffusion nicht angebracht, so daß neue Modelle entwickelt werden müssen. Ferner benötigt dieser neue Modellierungsansatz hochentwickelte numerische Lösungsverfahren. Hierzu zählen die Diskretisierung, die möglichst wenig numerische Dissipation aufweisen sollte. Das Discontinuous-Galerkin- Verfahren gehört in diese Kategorie und soll im Zuge dieses Projekts im Rahmen einer turbulenten Simulation mittels LES eingesetzt werden. Auch Ansätze höherer Ordnung lassen sich so einfach konstruieren. Dies führt auf diskrete Gleichungssysteme, die durch ein möglichst effizientes Verfahren gelöst werden müssen. Mehrgitterverfahren bieten sich für diesen Zweck besonders an, da sie wie das Turbulenzmodell auf einer Mehrskalenidee beruhen und sich durch optimale Komplexität auszeichnen. Die enge Kopplung des Mehrgitterlösers mit der Turbulenzmodellierung ist daher ein zentraler Punkt für das Projekt. Des weiteren ist die Anwendung der LES auf unstrukturierten Gittern in Kombination mit adaptiver Verfeinerung ein noch relativ unerforschtes Gebiet. Die meisten Anwendungen erfolgen immer noch auf strukturierten oder quasi-strukturierten Gittern, so daß eine genaue Untersuchung bei unstrukturierten Gittern dringend geboten ist. Durch die adpative Verfeinerung läßt sich das Gitter optimal an die Erfordernisse der Simulation anpassen, wobei genaue Studien inklusive Validierung natürlich angezeigt sind. Es sind also spezielle Verfeinerungskriterien zu entwickeln, die sowohl die Erfordernisse der Modelle (Turbulenz- und Mischungsmodell) als auch die numerische Approximationsgüte berücksichtigen. Dies kann nur durch den Vergleich mit den Meßergebnissen geschehen, die einen Anhaltspunkt für die Qualität der entwickelten

2 Methoden liefern. Mit den verwendeten parallelen Lösertechniken, die in dem Simulationssystem UG umgesetzt sind, können hochkomplexe realistische Mischerkonfigurationen behandelt werden. Zur Validierung dieser Berechnungen werden eigens hierfür im Projekt Validierungsexperimente durchgeführt. Hierfür werden mittels Particle-Image- Velocimetry und Laser-Doppler-Velocimetry die Geschwindigkeitsfelder im Mischer vermessen. Die Konzentrationsverteilung kann durch Laser-Induzierte-Fluoreszenz charakterisiert werden, so daß auch durch den simultanen Einsatz dieser Meßmethoden ein nahezu vollständiges Bild der Strömungsverhältnisse im Mischer gewonnen werden kann. Aufgrund dieser Daten können die neu zu entwickelnden numerischen Methoden validiert werden. Dafür ist aber zunächst ein genaues Verständnis der Strukturen und Prozesse im statischen Mischer notwendig, das durch experimentelle Untersuchungen gewonnen werden kann. Das Projekt wird gemeinsam vom Lehrstuhl Technische Simulation (SiT), Institut für Informatik, Universität Heidelberg, Prof. Wittum und vom Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungstechnik, Universität Magdeburg, Prof. Thévenin durchgeführt. Die eher numerischen Aspekte der Arbeit sind dabei in Heidelberg angesiedelt, der experimentelle Teil und die Modellierung sollen in Magdeburg durchgeführt werden. Ziele (LSS) Experimente Gegenstand des experimentellen Teils dieses Projekts am LSS ist die experimentelle Untersuchung eines statischen Mischers, mit dem Ziel der Validierung von entwickelten Mischungsmodellvorstellungen (LSS/SiT) und Berechnungsergebnissen (SiT). Dieser experimentelle Teil wird hauptsächlich von Frau Dr. K. Zähringer geleitet. Insbesondere soll das Modell eines statischen Mischers aufgebaut und die durch den Mischer erzeugten Geschwindigkeits- und Konzentrationsfelder bestimmt werden. Die Messergebnisse sollen in Form einer Datenbank auch den anderen Programmteilnehmern zur Verfügung gestellt werden. Mikromischung Ziel dieses Teils des Projekts ist es, vorwiegend durch eine erneute Literatur- Auswertung und durch die Untersuchung vorhandener und neuer DNS-Ergebnisse (mehrere DNS Programme stehen am Lehrstuhl zur Verfügung und werden von anderen Mitarbeitern täglich genutzt) für reaktive und nicht-reaktive turbulente Strömungen, das beste Modell für die Beschreibung der Mikro-Mischung im Rahmen der Grobstruktursimulation zu identifizieren. Das resultierende Modell wird anschließend in Heidelberg im UG-Programm implementiert, validiert und getestet. Reaktionen Die Implementierung für die Berücksichtigung chemischer Reaktionen und akkurater Diffusionsmodelle im gemeinsamen UG-Programm wird in diesem Projektteil unter der Leitung von Prof. Thévenin und Dr. Janiga durchgeführt. Die praktische Implementierung wird letztendlich in Heidelberg stattfinden, um Kompatibilität zu gewährleisten. Die in Magdeburg vorliegende Erfahrung, die sich in dem gemeinsam entwickelten UG-Modul UGC niedergeschlagen hat, wird in diese Entwicklungen

3 wesentlich mit einfließen. In der jetzigen Antragsphase liegt der Schwerpunkt in Magdeburg auf den Validierungsexperimenten, so daß vorerst nur eine einzige chemische Reaktion berücksichtigt werden wird. Bei der äußerst komplexen Modellierung der gekoppelten diffusiven/ reaktiven Prozesse auf Subskalenebene (subgrid-scale) wird auch die Magdeburger Gruppe mitwirken, in Vorbereitung der nächsten Antragsphase. Methoden (LSS) Die Methoden und das Arbeitsprogramm in Magdeburg gliedern sich in einen umfangreichen experimentellen Teilbereich für die quantitative Validierung der Ergebnisse und in zwei kleinere theoretische Teilbereiche. Experimente Als statischer Mischer soll zunächst der bereits in der ersten Antragsphase von der Gruppe Wittum berechnete Pittaluga-Mischer (Abbildung 1), vermessen werden. Hierzu werden die Geschwindigkeitsfelder vor und hinter einem Element eines solchen Mischers mittels Particle-Image-Velocimetry (PIV) und Laser-Doppler- Velocimetry (LDA) umfassend unter verschiedenen Betriebsbedingungen (Volumenstrom, Zustrombedingungen der Komponenten) bestimmt. Ebenso soll das Mischungsverhalten durch Messung von Tracerkonzentrationen vor und hinter dem Mischer mittels Laser-Induzierter Fluoreszenz (LIF) charakterisiert werden. Abbildung 1 : Pittaluga-Mischer Der Mischer wird hierzu in ein optisch zugängliches (Acryl) Rohrleitungssystem eingebaut, so daß ein Laserstrahl an verschiedenen Stellen vor und hinter dem Mischer durch das Strömungsfeld geführt werden kann. Die Anordnung soll eine Vermessung der drei Geschwindigkeitskomponenten erlauben, um die durch den Mischer erzeugte Turbulenz umfassend erfassen zu können. Deshalb sollen für die Geschwindigkeitsmessung sowohl die PIV als auch LDA zum Einsatz kommen. PIV erlaubt hierbei die gleichzeitige Erfassung eines gesamten 2-dimensionalen Geschwindigkeitsfeldes, allerdings mit geringer zeitlicher Auflösung, mittels LDA kann die Turbulenz in nur einem Punkt, aber mit hoher zeitlicher Auflösung bestimmt werden. Somit ergänzen sich die beiden Meßverfahren für eine vollständige

4 Charakterisierung des Geschwindigkeitsfeldes. Bei Bedarf könnte in einer weiteren Antragsphase auch auf Time-Resolved-PIV zurückgegriffen werden, um das instationäre Geschwindigkeitsfeld zu ermitteln, wofür einschlägige Erfahrung am Lehrstuhl bereits besteht. An denselben Stellen innerhalb des Versuchsstandes können mittels Tracer-LIF auch die Mischungseigenschaften charakterisiert werden. Hierbei ist insbesondere eine simultane Messung der Geschwindigkeit und der Konzentration von großem Interesse, um die gegenseitige Wechselwirkung besser bestimmen zu können und dann auch in Modellvorstellungen einfließen lassen zu können. Ein entsprechendes Meßsystem (simultane PIV und LIF) steht am LSS zur Verfügung und wird hier zum Einsatz kommen. Hochbehälter vorhandenes Kreislaufsystem Durchflußregler neue Meßstrecke Mischer Einlaufstrecke Auslaufstrecke Förderpumpe Auffangbecken Abbildung 2 : Versuchsstand Der geplante Versuchsstand ist in Abbildung 2 skizziert. Dabei wird eine vorhandene Rohrkanal-Prüfstrecke mit Hochbehälter-Bassin umgebaut, die eine gleichmäßige Anströmung des Mischers am Eingang ermöglicht. Die Meßstrecke ebenso wie der Mischer selber sollen aus Acrylglas gefertigt werden, um den optischen Zugang für Laser und Kamera zu ermöglichen. Um optische Verzerrungen auszuschließen wird mit quadratischen Rohrleitungen gearbeitet. Zur Ausstattung der Meßstrecke (Abbildung 3) gehört eine Sondenmeßstelle im Einlaufbereich um auf einfache Weise Geschwindigkeiten und deren Fluktuationen für Kontrollzwecke messen zu können. Daran schließt sich eine Tracerzugabemöglichkeit für die Messung der Mischungseigenschaften mittels LIF an. Vor und nach dem Mischer können dann die Meßebenen gelegt werden, wobei eine Messung vor dem Mischer die Kontrolle der Einlaufbedingungen erlaubt und zu Vergleichszwecken mit den Meßstellen nach dem Mischer herangezogen werden kann. In dem Fall muß dann die Kamera auf der linken Seite des Mischers angebracht und eventuelle Einbauten entfernt werden.

5 Tracerzugabe LIF-Kamera Mischer PIV-Kamera Sondenmeßstelle verschiedene Meßstellen Strahlteiler Doppelpuls- Nd:YAG-Laser Abbildung 3 : Meßstrecke (Beispiel für simultane PIV und LIF) Für simultane Geschwindigkeits- und Konzentrationsmessungen werden die PIVund LIF-Kameras hinter einem Strahlteiler mit den entsprechenden Filtern so angeordnet, daß beide dasselbe Blickfeld abdecken. Die Schnittebene des Laserlichtschnitts kann auch horizontal oder vertikal entlang der Rohrachse angeordnet werden, was dann die Bestimmung der entsprechenden beiden anderen Geschwindigkeits- und Konzentrationsfeldkomponenten erlaubt. Die Kameras werden dann entsprechend oberhalb oder neben der Rohrleitung angebracht. Das verwendete LDA-System detektiert die Rückwärtsstreuung, so daß es problemlos an verschiedenen Meßorten und für alle drei Geschwindigkeitskomponenten eingesetzt werden kann. Um eventuell auch innerhalb des Mischers Messungen vornehmen zu können, soll dieser ebenfalls aus Acryglas gefertigt werden. In diesem Fall muß dann für die PIV-Messungen mit fluoreszierenden Tracerteilchen gearbeitet werden, um die an den Mischereinbauten entstehenden Reflektionen filtern zu können. Entsprechende Erfahrungen liegen am LSS aus der Messung von Geschwindigkeitsfeldern in rotierenden Kreiselpumpen vor. In den ersten 6 Projektmonaten wird der Versuchsstand aufgebaut und erste Vorversuche zur Bestimmung der möglichen Betriebsparameter und optimalen Anordnung der Meßebenen durchgeführt. In den darauffolgenden 6 Monaten werden die Geschwindigkeitsfelder mittels PIV für verschiedene Betriebszustände vermessen. Zur punktweisen, zeitlich hochaufgelösten Beschreibung der Turbulenz an für den Mischer charakteristischen oder kritischen Stellen (durch die vorhergehenden PIV-Messungen identifiziert) werden auch die LDA-Messungen durchgeführt. Abschließend soll dann das Mischungsverhalten mittels LIF charakterisiert werden, wobei simultane PIV-Messungen dann nähere Aussagenüber die Wechselwirkung zwischen Turbulenz und Mischung erlauben (6 Monate). Die Auswertung der Meßergebnisse erfolgt parallel bzw. intermittierend zu den Versuchen. Der Vergleich mit den Ergebnissen der Rechnungen (SiT und LSS) erfolgt ebenfalls parallel zu den Versuchen, so daß ein ständiger Austausch zwischen den beteiligten Mitarbeitern entsteht und sowohl eventuell die Versuchsals auch die Berechnungsbedingungen ständig optimiert werden können, mit dem Ziel einer Validierung der in die Berechnungen einfließenden Modellvorstellungen und der numerischen Verfahren zur Berechnung statischer Mischer.

6 Mikromischung Die Aufgabe in diesem Teilbereich beginnt mit einer erneuten, vollständigen Literaturauswertung zum Thema Mikro-Mischung in der Verfahrenstechnik. Anschließend wird auf vorhandene DNS-Ergebnisse für nicht-vorgemischte Konfigurationen zurückgegriffen. Zahlreiche solche Ergebnisse liegen für Diffusionsflammen vor und werden es erlauben, weitere Modellideen durch einen direkten Vergleich zu testen. Einige Ergebnisse ohne chemische Reaktionen stehen auch zur Verfügung, weitere solche können von anderen Mitarbeitern, die sich am Lehrstuhl mit DNS beschäftigen, problemlos berechnet werden. Anhand dieser Datenbank wird es dann möglich sein, verschiedene Vorschläge aus der Literatur sowie eigene Ideen zu testen und zu verbessern. Das resultierende Modell wird anschließend in Heidelberg in UG implementiert, im Vergleich mit dem Validierungsexperiment geprüft und bei Bedarf modifiziert oder weiterentwickelt. Reaktionen Im Bereich der Berücksichtigung einfacher chemischer Reaktionen wird in Magdeburg, basierend auf dem vorhandenen UG-Modul UGC, bei dem die Berücksichtigung chemischer Reaktionen (Kopplung und Schnittstelle mit der Bibliothek CHEMKIN) und detaillierter Diffusionsgeschwindigkeiten (Kopplung und Schnittstelle mit der Bibliothek EGLIB) schon zur Verfügung steht und validiert wurde, die entsprechende Erfahrung nach Heidelberg transferiert. Die UG-Version aus Heidelberg wird in diesem Projekt als zentrale, gemeinsame Version genutzt, so daß alle notwendigen Verbesserungen darin implementiert werden müssen. Da diese Antragsphase in Magdeburg schwerpunktmäßig experimentell orientiert ist, werden wir uns für die kommenden 2 Jahre ausschließlich auf eine einzige chemische Reaktion konzentrieren, in der Art Brennstoff+Sauerstoff=Produkt oder Säure/Base- System. Es wird aber mittelfristig angestrebt, detaillierte Reaktionssysteme berücksichtigen zu können, so wie sie schon im jetzigen, laminaren UG-Modul UGC berechnet werden können (Abbildung 4). Die akkurate Modellierung der gekoppelten Diffusions-/Reaktionsprozesse auf Subskalenebene ist eine extrem schwierige Aufgabe, die erst am Ende dieser Phase begonnen werden könnte und endgültig in einer späteren Antragsphase vollkommen abgeschlossen werden sollte. Abbildung 4 : Struktur einer drei-dimensionalen laminaren partiell vorgemischten Methanflamme, berechnet mit UGC unter Berücksichtigung detaillierter physikalischer Modelle für Reaktion und Diffusion.

7 Alle drei Teilbereiche in Magdeburg werden durch denselben wissenschaftlichen Mitarbeiter durchgeführt, was eine enge Verzahnung auf natürliche Weise garantiert und auch erfahrungsgemäß die besten Bedingungen liefert, damit die experimentelle Validierung erfolgreich durchgeführt wird. Durch die eigene Simulationserfahrung wird der Doktorand bestens in der Lage sein, die Schwierigkeiten, Erwartungen und Bedürfnisse der Simulationsgruppe zu erkennen. Der Mitarbeiter ist natürlich auch für einen regen Austausch mit der Heidelberger Gruppe und, darüber hinaus, mit den anderen Partnern im SPP, verantwortlich. Arbeitsprogramm und Zeitplan (LSS) LSS 1: Aufbau des Versuchsstands. Einarbeitung des Mitarbeiters, Versuchsplanung, Beschaffung der notwendigen Materialien und erste Vorversuche der möglichen Betriebsparameter und Anordnung der Meßebenen. LSS 2: Geschwindigkeits- und Konzentrationsmessung. Die Messung der Geschwindigkeitsfelder vor und hinter dem Mischerelement erfolgt mittels PIV und LDA unter verschiedenen Betriebsbedingungen. Die Konzentrationsverteilung wird mittels LIF und simultanen PIV/LIF-Messungen bestimmt. LSS 3: Auswertung der Meßergebnisse und Erstellung der Datenbank. Die Resultate der Messungen werden zum Vergleich mit den numerischen Simulationen aufbereitet und in einer Datenbank abgelegt. LSS 4: Mischungsmodell. Literaturrecherche, um das beste Mischungsmodell zu identifizieren, das anhand von DNS-Rechnungen und anderen Modellideen verglichen werden soll. Austausch mit der AG Wittum und Vergleich mit experimentellen Messungen. LSS 5: Berücksichtigung einfacher chemischer Reaktionen. Hierzu sollen Erfahrungen aus UGC in den gemeinsam neu entwickelten Code einfließen. Erste Ansätze zur Modellierung der gekoppelten Diffusions-/Reaktionsprozesse auf Subskalenebene. Zeitplan LSS 1/1 1/2 1/3 1/4 2/1 2/2 2/3 2/4 LSS 1 LSS 2 LSS 3 LSS 4 LSS 5