2008 - CFD Simulation von Blasensäulen mit dem VOF Modell



Blasensäulen sind ein bekannter Reaktortyp in der Verfahrenstechnik. Üblicherweise wird ein Gas durch einen Verteiler (Verteilerboden oder Membran) im unteren Teil der mit Flüssigkeit gefüllten Säule aufgegeben. Die auftriebsbestimmte Strömung bewirkt eine ausgezeichnete Mischung der Flüssigkeit und eine hohe innere Oberfläche ohne die Verwendung von bewegten Teilen, Strombrechern oder eines Füllmateriales in der Säule.

Blasensäulen werden typischerweise in Fermentern, beim Gasstrippen, für Mammutpumpen, Mischern und anderen Anwendungen verwendet. Zeitabhängige ab-initio Simulationen, unter Verwendung eines kommerziellen und eines quelloffenen CFD (Computational Fluid Dynamcs) Programms, des aufsteigenden Blasenschwarmes werden mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Die Simulationen verwenden zwei verfügbare Implementierungen eines VOF (Volume of Fluid) Modelles das ist der Lage ist die Phasenverteilungen zweier vollkommen unmischbarer Fluidphasen mit einer finiten Volumen Methode zu berechnen. Es konnte gezeigt werden das der rechnerische Zeitaufwand klein genug sein kann (auch bei der Verwendung von hochauflösenden Gittern) um Ergebnisse in sinnvoller Zeit zu erhalten, die in guter Übereinstimmung mit den Experimenten sind und für die Auslegung von verfahrentechnischen Grundoperationen verwendet werden können.

Abb. 1: Geometrie der simulierten Blasensäule

Abb. 2: Einfluß des verwendeten Gleichungslösers (links: OpenFOAM, rechts: Fluent, beide bei t=1,5s, Leerrohrgeschwindigkeit: 0,04m/s, beide Gitter: 360000 Zellen)

Abb. 3: Einfluß des Kontakwinkels in openFOAM (links: nicht aktiv, rechts: aktiviert Theta=30°, beide bei t=1,5s, Leehrrohrgeschwindigkeit: 0,04m/s, beide Gitter 360000 Zellen)

Abb. 4: Einfluß der zeitlichen Diskretisierung in Fluent (links: erster Ordnung implizit, rechts: zweiter Ordnung implizit, beide bei t=0,8s, Blasensäule im Ulaufbetrieb mit interner Trennwand, Leerrohrgasgeschwindigkeit: 0,01m/s, beide Meshes 2600000 Zellen). Diese numerischen Experimente zeigen deutlich, daß die Wahl des Gleichungslösers und die Diskretisierungsmethoden (räumlich und zeitlich) den größten Einfluß auf das Simulationsergebnis haben. Diskretisierungen niedriger Ordnung führen zu "verschmierten" Oberflächen und unphysikalischen Ergebnissen.

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