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Adaptive Kompartimentmethoden zur Kopplung von CFD und Populationsbilanzen für die technische Chemie

Arbeitsgruppe:AG Numerik PDE
Leitung: Prof. Dr. Alfred Schmidt ((0421) 218-63851, E-Mail: schmidt@math.uni-bremen.de)
Bearbeiter:
Projektpartner: CiT Computing in Technology GmbH (Rastede)
Laufzeit: 01.07.2002 - 31.12.2003
Bild des Projekts Adaptive Kompartimentmethoden zur Kopplung von CFD und Populationsbilanzen für die technische Chemie

In chemischen Reaktoren haben räumliche und zeitliche Inhomogenitäten, hervorgerufen durch Strömungseffekte, punktuelle Einleitung von Substanzen, Diffusion und Seigerung einen starken Einfluss auf die lokale Reaktionskinetik. Besonders bei der Entstehung großer Moleküle können sich die physikalischen Parameter (Viskosität etc.) um mehrere Größenordnungen ändern, andererseits sind Inhomogenitäten verantwortlich für unterschiedliche Reaktionsraten und Moleküllängenverteilungen. Ziel des Projekts ist die Entwicklung von adaptiven Methoden zur effizienten Simulation der Reaktions- und Transport-Mechanismen bei dispersen Systemen. Aufgrund der besonders aufwendigen Algorithmen zur Reaktionskinetik können keine Standardtechniken des CFD (Computational Fluid Dynamics) zur adaptiven Diskretisierung angewandt werden, sondern es besteht die Notwendigkeit, speziell angepasste Algorithmen neu zu entwickeln.

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Mischung zweier Materialien durch Strömung und Transport-Diffusion

Im Gegensatz zu einfachen chemischen Reaktionskinetiken ist bei Polymer-Reaktionen eine vollständige ortsabhängige Auflösung der Reaktionskinetik praktisch nicht möglich. Einen Ausweg bietet der Ansatz, das Gebiet des zugrundeliegenden Reaktors in einige wenige, vorher festgelegte Untergebiete (sogenannte Kompartimente) aufzuteilen, in denen eine räumlich stückweise konstante Verteilung der chemischen Komponenten angenommen wird, und wo auf jedem Teilgebiet eine zeitabhängige Reaktionskinetik berechnet wird. Die Kinetiken der Teilgebiete sind gekoppelt durch einen Austausch zwischen den Teilgebieten, der durch Transport aufgrund von Diffusion, Konvektion, Seigerung geschieht und unter anderem die globale Massenerhaltung im Gesamtsystem sicherstellt.

Basierend auf adaptiven Finite-Elemente-Gittern und Fehlerschätzern bzw. Fehlerindikatoren sollen im Rahmen des Projekts selbstadaptive Methoden zur Wahl solcher Kompartimente entwickelt werden.