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SiPER - Smoothed Particle Hydrodynamics in Process Engineering

Logo SiPERDie Methode

Sich verändernde und bewegende Phasengrenzflächen sind mit klassischen gitterbasierten Verfahren nur sehr aufwendig zu beschreiben. Daher werden am ICVT seit vielen Jahren gitterfreie Simulationsmethoden erforscht. Mit dem am Institut entwickelten Programmpaket SiPER lassen sich verschiedenste Fragestellungen mit der Smoothed-Particle-Hydrodynamics-Methode untersuchen. Die aktuellen Hauptanwendungsbereiche sind Mehrphasenströmungen in porösen Medien und die Simulation von Strukturbildungsprozessen poröser Materialien, wie z.B. die Erzeugung von Membranen.


Mehrphasenströmung in porösen Medien

Ansprechpartner: M.Sc. Philip Kunz

Mehrphasenströmungen in porösen Strukturen sind hauptsächlich von Kapillar- und Oberflächenkräften dominiert. Unterschiedliche Benetzungseigenschaften können zu sehr unterschiedlichem Strömungsverhalten führen. Die Forschung am ICVT umfasst hierbei die Untersuchung dynamischer Benetzungsprozesse in einzelnen Kapillaren und ganzen Porennetzwerken und die Beschreibung des Benetzungsverhaltens von Fluidtropfen auf verschiedenen Oberflächen.

Verdrängung einer benetzenden Flüssigkeit (blau) aus einem Porennetzwerk durch eine zweite nicht benetzende Flüssigkeit (weiß) Verhalten eines nicht benetzenden Fluidtropfens beim Überqueren einer Vertiefung Verhalten eines benetzenden Fluidtropfens beim Überqueren einer Vertiefung

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Strukturbildungsprozesse

Ansprechpartner: M.Sc. Manuel Hirschler, Christian Zander

Strukturbildungsprozessen liegen meist Transportprozesse auf verschiedenen Zeit- und Längenskalen zugrunde. Eine wichtige Skala hierbei ist die mesoskopische Skala die im Bereich von Nano- und Mikrometern angesiedelt ist. Am Beispiel des Fällungsprozesses von Polymermembranen werden am ICVT der Stofftransport und die Strömung in Polymerlösungen während des Phasenzerfalls untersucht um Rückschlüsse der Transporteigenschaften auf die Struktur von Polymermembranen zu erhalten.

Poröse Struktur nach homogenem Phasenzerfall einer Polymerlösung Fällung einer Polymerlösung mit Wasser unter der Annahme eines diffusions-dominaten System. Die polymerreiche Phase ist schwarz, die polymerarme Phase blau dargestellt.

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Blasen- und Tropfenkoaleszenz

Ansprechpartner: M.Sc. Manuel Hirschler, M.Sc. Philip Kunz

In der chemischen Verfahrenstechnik werden häufig Reaktoren und Apparate eingesetzt, bei denen Suspensionen mehrerer fluider Phasen zum Einsatz kommen. Beispiele hierfür können Bläsensäulenreaktoren oder Sprühtürme sein. Am ICVT wird die SPH Methode auf Problemstellungen angewandt, bei denen die Interaktion zwischen duzenden von Blasen von Interesse ist. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Interaktion der Phasen an deren Phasengrenzen, die beim Koaleszenzverhalten von Bedeutung ist.

Blasenaufstieg einer benetzenden Blase in einer Säule mit zylindrischen Einbauten Koaleszenz zweier Kohlenwasserstoff-Tropfen bei Umgebungsdruck Bouncing zweier Kohlenwasserstoff-Tropfen bei Umgebungsdruck

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Beispiele ein- und mehrphasiger Strömungen

Ansprechpartner: M.Sc. Manuel Hirschler, M.Sc. Philip Kunz

Neben anwendungsbezogenen Fragestellungen werden zur Validierung der verwendeten Modelle mehrere fluiddynamische Standardprobleme untersucht. Eine kleine Auswahl dieser Beispiele ist hier zu finden.

Kármánsche Wirbelstraße bei Re = 57. Dargestellt ist die Geschwindigkeit, wobei rot für eine hohe Geschwindigkeit steht Rayleigh-Taylor-Instabilität bei Dichteunterschied 1.8. Dargestellt sind die beiden Phasen