1   Hintergrund

Als feste Schwämme werden hochporöse, offenzellige und daher allseitig durchströmbare Netzwerkstrukturen aus keramischen oder metallischen Basismaterialien bezeichnet. Aufgrund der hohen Porosität zeichnen sich Schwämme durch einen vergleichsweise niedrigen Druckverlust bei der ein- oder zweiphasigen Durchströmung aus. Zugleich begünstigen die große spezifische Oberfläche sowie die kontinuierliche Festkörperstruktur der Schwämme den Wärmeübergang zwischen Fluid und Festkörper sowie den Wärmetransport in der Struktur selbst. Aufgrund dieser aus technischer Sicht hochinteressanten Eigenschaftenkombination sind Schwämme z.B. für den Einsatz in Porenbrennern, Abgaskatalysatoren, Metallschmelzenfiltern oder Solarturmkraftwerken geeignet. 

Für die Auslegung derartiger Apparate gewinnen CFD-Simulationen immer mehr an Bedeutung. In diesem Forschungsvorhaben werden reale, unregelmäßige Schwammstrukturen hinsichtlich der Hydrodynamik und des Wärmetransports charakterisiert. Die CFD-Simulationen werden in OpenFOAM durchgeführt.

Das Projekt ist ein Teilprojekt der HGF-Energieallianz „Energieeffiziente Chemische Mehrphasenprozesse“, welche zum Ziel hat, Apparate in der chemischen Industrie ganzheitlich zu optimieren und energieeffizient zu gestalten.

2   Forschungsarbeiten

Abbildung 1 gibt einen Überblick über die prinzipielle Vorgehensweise bei der Untersuchung der im Fokus dieses Projekts stehenden keramischen Schwämme (Al2O3, SiSiC). Demzufolge ergeben sich die drei nachfolgend beschriebenen, wesentlichen Arbeitsgebiete:

     Abbildung 1: Vorgehen bei der Strukturanalyse und bei der Durchführung validierter CFD-Simulationen 

2.1 Strukturrekonstruktion und geometrische Charakterisierung realer Schwämme

Die Charakterisierung der festen Schwämme basiert auf Computer- und Kernspintomographieaufnahmen (sog. CT-/MRT-Scans) der jeweiligen Struktur, deren Auflösung im Bereich weniger Mikrometer (i.A. 20 – 50 µm) liegt. Zur Analyse dieser Strukturdaten wird in MATLAB® ein Tool entwickelt, welches eine möglichst originalgetreue Rekonstruktion eines beliebigen Ausschnitts der Schwammgeometrie erlauben soll. Das Vorgehen und ein beispielhaftes Ergebnis daraus zeigt Abbildung 2.

     Abbildung 2: Vorgehen bei der Rekonstruktion von Schwammstrukturdaten im stl-Dateiformat

Die in Abbildung 2 ganz rechts dargestellte Rekonstruktion liegt im stl-Dateiformat vor und kann nachfolgend sowohl als (repräsentative) CFD-Simulationsgeometrie, als auch zur Bestimmung der charakteristischen Schwammeigenschaften Porosität (ψ) und spezifische Oberfläche (SV) verwendet werden. 

2.2 Vernetzung der Simulationsgeometrie und Durchführung von CFD-Simulationen zu Hydrodynamik und Wärmeübergang

Das in Arbeitspaket 2.1 gewonnene Abbild eines ausgewählten repräsentativen Kontrollvolumens (REV) der Schwammstruktur ist Grundlage für die CFD-Modellentwicklung in OpenFOAM®. Nach erfolgter geeigneter Vernetzung der Simulationsgeometrie sollen hieran zunächst für den Fall der einphasigen Durchströmung sowohl Hydrodynamik (Strömungsverlauf, Druckverlust) als auch Wärmetransport im Schwamm berechnet werden. Abbildung 3 zeigt ausgewählte Strömungs- und Temperaturfelder, welche mit dem CFD-Modell berechnet werden können, sowie das den Berechnungen zugrunde liegende Rechengitter. 

     Abbildung 3: Vernetzung der ausgewählten Simulationsgeometrie für einen SiSiC-Schwamm (20 ppi) (links),

                         berechnete Variablenfelder für Druck, Geschwindigkeit und Temperatur (rechts)

Im Anschluss an diese erste Projektphase soll durch Integration eines auf der sogenannten Phasenfeldmethode basierenden Modells das bestehende Simulationstool dahingehend erweitert werden, dass damit auch die Berechnung von Mehrphasenströmungen möglich ist. Hierzu besteht eine intensive Zusammenarbeit mit dem Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) des KIT. 

2.3 Experimentelle Validierung des CFD-Simulationsmodells

Die Validierung des CFD-Modells erfolgt global durch Gegenüberstellung der Ergebnisse für den Druckverlust Δp und den Wärmeübergangskoeffizienten α mit experimentellen Vergleichsdaten aus Vorgängeruntersuchungen am TVT (Abbildung 4).

     Abbildung 4: Vergleich von mittels CFD berechnetem und experimentell gemessenem Druckverlust (links) und  

                        Wärmeübergangskoeffizient (rechts) in einem SiSiC- bzw. OBSiC-Schwamm mit ähnlichen

                        geometrischen Eigenschaften (20 ppi, ψ≈ 85 %)

Weiterhin werden µPIV-Untersuchungen zur Aufzeichnung lokaler Geschwindigkeitsfelder bei der einphasigen, flüssigen Durchströmung transparenter SiO2-Glasschwämme durchgeführt. Diese können direkt mit berechneten Variablenfeldern aus der CFD-Simulation verglichen werden. Dazu besteht eine Kooperation mit Projektpartnern der TU Hamburg-Harburg (vgl. Abbildung 5)

     Abbildung 5: Rohbild aus einer µPIV-Messung an einem 2,4 mm x 1,7 mm großen Ausschnitt eines SiO2

                        Glasschwamms (links), zugehöriges momentanes Geschwindigkeitsfeld (Mitte) und zeitgemitteltes

                        Geschwindigkeitsfeld (rechts)

Zur Validierung der Mehrphasenberechnungen stehen ebenfalls umfangreiche experimentelle Daten zur Verfügung.

3   Veröffentlichungen

B. Dietrich. Wärmeübertragung bei ein- und mehrphasiger Durchströmung fester Schwämme. Chemie Ingenieur Technik 84 (8), 2012, 1422.