Meinicke

Unter festen Schwammstrukturen werden offenzellige, hochporöse Netzwerkstrukturen mit einer großen spezifischen Oberfläche verstanden, welche relativ niedrige Druckverlustwerte mit sehr guten Wärme- und Stoffübergangseigenschaften kombinieren. Insbesondere der Wärmetransport wird durch die kontinuierliche Festkörperstruktur begünstigt. Dieses Eigenschaftsprofil macht Schwämme auch für den Einsatz in technischen Wärmeübertragern interessant. Ziel des Projektes ist es, basierend auf röntgentomografischen Strukturaufnahmen der zu untersuchenden Schwämme einen skalen-auflösenden CFD-Modellansatz zu entwickeln, der die Beschreibung von Hydrodynamik und Wärmeübergang bei ein- und zweiphasiger Durchströmung ermöglicht. In bisherigen Arbeiten wurde unter Verwendung der Software OpenFOAM bereits eine CFD-Methodik zur Analyse des einphasigen Durchströmungsfalls an repräsentativen Ausschnitten der Struktur entwickelt. Zur grenzflächenauflösenden Berechnung von Gas-/Flüssig-Strömungen auf festen Oberflächen wurde zudem eine Phasenfeldmethode in OpenFOAM implementiert und anhand analytischer Vergleichsfälle bereits erfolgreich validiert (vgl. Abb. 1).

Abb. 1: CFD-Simulation der Durchströmung fester Schwammstrukturen; links: Stromlinien bei einphasiger Durchströmung; rechts: Vorhersage des Verlaufes der Gas-Flüssig-Phasengrenzfläche bei zweiphasiger Durchströmung (blau)

Ziel dieser Arbeit ist es nun, das zur Verfügung stehende Zweiphasenmodell auf die Gas-/ Flüssig-Strömung in festen Schwämmen anzuwenden. Dazu soll für unterschiedliche Durchströmungsverhältnisse ein geeignetes Konzept zur sinnvollen Vorgabe der erforderlichen Randbedingungen (Geschwindigkeit, Druck, Phasenverteilung) und weiterer wichtiger numerischer Einstellungen erarbeitet werden. Zur Bewertung der erhaltenen numerischen Ergebnisse sollen aussagekräftige Größen zur Charakterisierung der Zweiphasenströmung (z.B. zweiphasiger Druckverlust, Hold-Up) abgeleitet und mit entsprechenden experimentellen Validierungsdaten verglichen werden.