Strömungsmechanik

Das MCL beschäftigt sich intensiv mit der Anwendung von CFD-Simulationen im Bereich der Prozesskettensimulation. Das Portfolio reicht von der Berechnung von turbulenten Strömungen oder chemischen, thermischen, sowie elektrolytischen Prozessen (Multiphysik) über Mehrphasen Probleme  bis hin zur Simulation von Massentransportphänomenen auf der Mikrostrukturebene.

Wir setzen einerseits kommerzielle Software, wie etwa Fluent®, aber auch OpenSource Pakete wie OpenFOAM® ein. 

Turbulente Strömung im thermisch-chemischen Prozess

Die Aufgabenstellungen der Prozesssimulation gehen immer weiter über eine einfache Beschreibung der Strömung und des Temperaturfeldes hinaus. So müssen zum Beispiel auch der Transport, die Thermodynamik und die Reaktionskinetik von Ausscheidungen berücksichtigt werden, wie dies zum Beispiel beim Feuerverzinken der Fall ist [Mataln2015].

Es gibt auch Fälle, in denen zusätzliche physikalische Phänomene berücksichtigt werden müssen. So muss z.B. bei der Berechnung der elektrolytischen Abscheidung auch das elektrische Feld und die daraus resultierende Migration berücksichtig werden.

Mehrphasen-Simulation

In der Prozesssimulation wird die Mehrphasen-Simulation immer wichtiger, da sie es ermöglicht, die Qualität, die Effizienz und die Sicherheit von Produktionsprozessen zu verbessern. Je nach Prozess liegen mehrere unterschiedliche Phasen (gasförmig, flüssig, fest) unterschiedlicher Komponenten (Metalle, Kühlmedien, Ätzmittel) vor, wobei physikalische und chemische Vorgänge wie z.B. die Mischbarkeit, die Löslichkeit, die Wechselwirkung zwischen den Phasen oder Stoff- und Wärmeübergänge berücksichtigt werden.

Ein Beispiel für die erfolgreiche Anwendung der Mehrphasen-Simulation ist die Optimierung von High-Speed-Abstreifdüsen im Feuerverzinkungsprozess. Hierbei reduziert ein Gasstrahl, welcher auf nahezu Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird, hydrodynamisch eine flüssige Zinkbeschichtung auf eine entsprechende Zielschichtstärke. Die besonders akkurate Modellierung mittels LES-VOF-Technik ermöglicht es, die Schichtdicke mikrometergenau darzustellen und die Schichttopologie in Abhängigkeit von Prozessparametern zu optimieren [Pfeiler2014,Pfeiler2015].

Ein weiteres wichtiges Anwendungsbeispiel in der Technik sind Sprühprozesse. Hierbei liegt zumindest eine kontinuierliche Phase vor, innerhalb der sich ein dispergierter Sprühnebel einer weiteren Phase befindet. Dieser dient unterschiedlichsten Zwecken wie z.B. der Kühlung oder der Applikation von Ätzmitteln und Beschichtungsmaterialien. Wesentlich für die erfolgreiche Prozessentwicklung ist die Berücksichtigung der auf der besprühten Oberfläche stattfindenden Vorgänge (Benetzung der Oberfläche, Phasenumwandlungen, Wärmeübergänge oder chemische Reaktionen).

 

 

Simulation der Mikrostruktur

Leistungsfähigere Röntgencomputertomographen (x-Ray CT) erlauben immer detailliertere Aufnahmen von porösen Materialien. Diese können mit geeigneten Segmentierungsverfahren in ein Rechengitter überführt werden. Das ermöglicht es, Prozesse auf Mikrometerebene genauer zu beschreiben, fördert das Verständnis dieser Vorgänge und zeigt Verbesserungspotenzial auf.

Als Beispiel sei hier die Berechnung der Gasdiffusion durch die poröse Metallschicht einer metallgestützten Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC) erwähnt. Durch die Messung der Mikrostruktur kann der tatsächliche diffusive Massenfluss bestimmt werden [Reiss2015a]. Durch ein zusätzlich implementiertes Korrosionsmodell, welches das Wachstum der Oxidschicht modelliert und damit das Zuwachsen der Poren bestimmt, kann auch die Abnahme der Gasdiffusion über der Zeit berechnet und Vorhersagen über die Lebensdauerleistung gemacht werden [Reiss2015b]. 

 

Referenzen

Turbulente Strömung im thermisch-chemischen Prozess

  • M. Mataln, C. Pfeiler, J. Strutzenberger et al., Simulation of Physical Phenomena inside a Molten Zinc Bath by using Computational Fluid Dynamic Methods, in: Conf. Proceedings of the 10th International Conference on Zinc and Zinc Alloy Coated Steel Sheet, GALVATECH 2015, Toronto, Canada, (2015) 481-488

Mehrphasen-Simulation

  • C. Pfeiler, M. Mataln, A. Kharicha et al., Importance of the Zinc Film Modeling for Gas Jet Wiping Simulations, in: Conf. Proceedings of the 10th International Conference on Zinc and Zinc Alloy Coated Steel Sheet, GALVATECH 2015, Toronto, Canada, (2015) 682-689
  • C. Pfeiler, M. Mataln, A. Kharicha et al., Simulation of Zinc Formation during Continuous Withdrawal of Steel Strips from Galvanizing Baths, in: Conf. Proceedings on International Conference on Metallurgy and Materials 23 (2014)

Simulation der Mikrostruktur

  • Reiss, Georg; Frandsen, Henrik L.; Brandstätter, Wilhelm; Weber, André: Numerical evaluation of micro-structural parameters of porous supports in metal-supported solid oxide fuel cells. In: Journal of Power Sources 273 (2015a), pp. 1006-1015.
  • Reiss, Georg; Frandsen, Henrik L.; Weiß, Christian; Brandstätter, Wilhelm: Simulation of oxide growth in metal-supported solid oxide fuel cells and its influence on micro-structural mass transport. In:  Journal of Power Sources 297 (2015b), pp. 338-399