SiPER – Smoothed Particle Hydrodynamics in Process Engineering

Simulationsprogramm für Strukturbildung und Transport in porösen Medien

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 Smoothed-Particle-Hydrodynamics-Methode ist eine Lagrange’sche gitterfreie Diskretisierungsmethode für partielle Differentialgleichungen. Im Vergleich zu gitterbasierten Diskretisierungsmethoden wie der Finite-Elemente-Methode oder der Finite-Volumen-Methode sind die Interpolationspunkte (die sogenannten „Partikel“) frei im Raum beweglich und ermöglichen daher ohne großen Vernetzungs- und Rechenaufwand die Simulation in komplexen Geometrien und Systemen mit freien Oberflächen. Eine akkurate Bewegung und Veränderung von Grenzflächen ist ohne zusätzlichen Aufwand möglich, da die Phasengrenze zwischen Diskretisierungspunkten definiert und mit diesen bewegt wird.

SiPER ist ein hochparallelisiertes Programmpaket zur direkten numerischen Simulation von Strukturbildungsvorgängen und mehrphasigem Transport in porösen Medien. Ein Schwerpunkt liegt hierbei auf Grenzflächeninteraktion, Benetzungseigenschaften und der Veränderung poröser Systeme durch Wärme- und Stofftransportvorgänge. Eine Erweiterung auf nanoskalige Transportprozesse, bei denen thermische Fluktuationen relevant sind, ermöglicht die Simulation von Problemstellungen über viele Längenskalen hinweg.

Vergangene und aktuelle Anwendungsbeispiele für SiPER sind nachfolgend dargestellt.

Modellierung der Elektrolytverteilung in repräsentativen Volumina

Die Performance von Gasdiffusionselektroden (GDEs) spielt für eine Reihe technischer Prozesse, wie die Chloralkali-Elektrolyse oder die elektrochemische CO2-Reduktion eine entscheidende Rolle. Innerhalb der GDE wird der Kontakt zwischen den gasförmigen Reaktanden, dem festen Katalysator und dem Elektrolyten hergestellt. Durch Zugabe von nichtbenetzenden Komponenten wie Polytetraflourethylen (PTFE) kann das Eindringverhalten des Elektrolyten gezielt beeinflusst werden, was eine Schlüsselkomponente zur Verbesserung und Herstellung dieser GDEs darstellt.

Mittels der SPH-Methode wird das Eindringverhalten in die poröse Struktur auf Basis von Bildaufnahmen des Porenraumes mittels direkter numerischer Simulation durchgeführt. Dabei werden die auftretenden Phänomene auf der Kontinuumsskala aufgrund der Oberflächenspannung und der heterogenen Benetzbarkeit physikalisch konsistent berücksichtigt.

© Institut für Chemische Verfahrenstechnik, Universität Stuttgart | Quelle: YouTube

Simulation der Phasenzusammensetzung während des Eindringvorganges des Elektrolyten in eine Gasdiffusionselektrode. Dargestellt sind der Elektrolyt in blau, das hydrophobe PTFE in grün und das Silber in grau.

Benetzungsverhalten in porösen Medien

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.

© Institut für Chemische Verfahrenstechnik, Universität Stuttgart | Quelle: YouTube

Simulation der Verdrängung einer benetzenden Flüssigkeit

Strukturbildungsprozesse

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 porösen Polymermembranen wurde der Porenbildungsprozess während des Phasenzerfalls untersucht um Rückschlüsse der Transporteigenschaften auf die Struktur von Polymermembranen zu erhalten. Hierbei wurde die Smoothed-Particle-Hydrodynamics-Methode um Modelle für die kinetische Modellierung des Phasenzerfallsprozesses sowie für Mehrkomponententransport erweitert. Durch Vergleich mit Experimenten konnten die numerischen Ergebnisse qualitativ validiert werden.

© Institut für Chemische Verfahrenstechnik, Universität Stuttgart | Quelle: YouTube

Simulation der Bildung von Schaumporen bei der Fällung einer Polymerlösung

 (c)
Simulation einer Polymerkette in Lösung

Polymerlösungen in wandnahen Scherströmungen

Die Bildung von Belägen in technischen Reaktoren für die Durchführung von Polymerisationsreaktionen stellt eine große Herausforderung bei der Entwicklung neuer Prozesse dar. Neben dem Reaktionsmechanismus spielen dabei auch die Eigenschaften der Reaktoroberflächen und das Strömungsfeld eine wichtige Rolle. Durch Ergänzung der Smoothed Dissipative Particle Dynamics Methode um ein "Bead-Spring"-Modell für Polymere kann das Adsorptionsverhalten von Makromolekülen in wandnahen Scherströmungen simuliert werden. Ziel ist, hierdurch das mechanistische Verständnis zu verbessern, um die Prozessentwicklung hinsichtlich der Belagsvermeidung zu unterstützen.

 

Weitere Informationen zum SiPER Programmpaket

Im Vergleich zu anderen Softwarepaketen ist SiPER auf inkompressible Strömung spezialisiert, bietet aber auch gängige kompressible Ansätze. Mit der sogenannten „truly incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics“ (ISPH) Methode, basierend auf der etablierten Projektionsmethode von gitterbasierter CFD, lassen sich Strömungsprobleme effizient und mit hoher Genauigkeit lösen. Beispielsweise werden Drücke der inkompressiblen Strömung gut abgebildet, die für Mehrphasenströmung in porösen Medien von zentraler Bedeutung sind.

Die Smoothed-Particle-Hydrodynamics-Methode, etabliert für makro- und mesoskopische Problemstellungen, bietet aufgrund ihres partikulären Charakters eine algorithmisch einfache Erweiterung auf mikroskopische Problemstellungen, bei denen thermische Fluktuationen relevant sind. Mit der Smoothed-Dissipative-Particle-Dynamics-Methode (SDPD), die eine Erweiterung der Smoothed-Particle-Hydrodynamics-Methode um thermische Fluktuationen darstellt, ist es möglich mit dem Kontinuumsansatz Problemstellungen auf vergröberter molekularer Ebene zu untersuchen.

Folgende physikalische und methodische Modelle/Ansätze sind in SiPER verfügbar:

  • Parallelisierung mit MPI
  • Verschiedene Ansätze für inkompressible Strömung (ISPH, ZWEISCHRITT, implizit ISPH, Stokes flow)
  • Verschiedene Ansätze für kompressible Strömung (WCSPH)
  • Erweiterung auf nanoskalige Probleme (SDPD)
  • Randbedingungen: periodisch, symmetrisch, feste Wand, Inflow/outflow
  • Corrected SPH
  • Oberflächenspannungsmodelle (CSF, Partikel-Partikel-WW, Tensor(Adami))
  • Kontaktlinienmodelle (CLF, Tensor(Breinlinger), Tensor (Adami))
  • Phasenzerfall mit Cahn-Hilliard Gleichung
  • Rheologie (Newton, viscoplastisch, viscoelastisch, elastisch)
  • Mehrkomponententransport (Maxwell-Stefan, Generalized Fick)
  • Schnittstelle zur fluid-fluid-Kopplung mit gitterbasierten Methoden
  • Stick-Slip für raue Oberflächen

Das Programmpaket SiPER ist auf Anfrage frei zugänglich. Bei Interesse wenden Sie sich an Manuel Hopp oder Thorben Mager.

Veröffentlichungen

  1. P. Kunz, M. Paulisch, M. Osenberg, B. Bischof, I. Manke, U. Nieken
    Prediction of Electrolyte Distribution in Technical Gas Diffusion Electrodes: From Imaging to SPH Simulations
    2020, Transport in Porous Media
  2. Philip Kunz
    Modeling the Dynamics of Partial Wetting Depending on the Solid Microstructure and Applied Electric Potentials Using the SPH Method
    2019, Dissertation, Universität Stuttgart
  3. C. Zander, M. Hopp-Hirschler, U. Nieken
    Mesoscopic Simulation and Characterization of the Morphological Evolution in Phase Separating Fluid Mixtures
    2018, Computational Materials Science 149, 267--281
  4. P. Kunz, S. M. Hassanizadeh, U. Nieken
    A Two-Phase SPH Model for Dynamic Contact Angles Including Fluid--Solid Interactions at the Contact Line
    2018, Transport in Porous Media 122(2), 253--277
  5. M. Hirschler, G. Oger, U. Nieken, D. L. Touzé
    Modeling of Droplet Collisions Using Smoothed Particle Hydrodynamics
    2017, International Journal of Multiphase Flow 95, 175--187
  6. M. Hopp-Hirschler
    Modeling of porous polymer membrane formation
    2017, Dissertation, Universität Stuttgart
  7. P. Kunz, M. Hirschler, M. Huber, U. Nieken
    Inflow/Outflow with Dirichlet Boundary Conditions for Pressure in ISPH
    2016, Journal of Computational Physics 326, 171--187
  8. M. Hirschler, W. Säckel, U. Nieken
    On Maxwell–Stefan Diffusion in Smoothed Particle Hydrodynamics
    2016, International Journal of Heat and Mass Transfer 103, 548--554
  9. M. Huber, F. Keller, W. Säckel, M. Hirschler, P. Kunz, S. M. Hassanizadeh, U. Nieken
    On the Physically Based Modeling of Surface Tension and Moving Contact Lines with Dynamic Contact Angles on the Continuum Scale
    2016, Journal of Computational Physics 310, 459--477
  10. M. Hirschler, P. Kunz, M. Huber, F. Hahn, U. Nieken
    Open Boundary Conditions for ISPH and Their Application to Micro-Flow
    2016, Journal of Computational Physics 307, 614--633
  11. P. Kunz, I. M. Zarikos, N. K. Karadimitriou, M. Huber, U. Nieken, S. M. Hassanizadeh
    Study of Multi-Phase Flow in Porous Media: Comparison of SPH Simulations with Micro-Model Experiments
    2016, Transport in Porous Media 114(2), 581--600
  12. M. Huber, D. Dobesch, P. Kunz, M. Hirschler, U. Nieken
    Influence of Orifice Type and Wetting Properties on Bubble Formation at Bubble Column Reactors
    2016, Chemical Engineering Science 152, 151--162
  13. F. Keller
    Simulation of the Morphogenesis of Open-porous Materials
    2014, Dissertation, Universität Stuttgart
  14. M. Hirschler, M. Huber, W. Säckel, P. Kunz, U. Nieken
    An Application of the Cahn-Hilliard Approach to Smoothed Particle Hydrodynamics
    2014, Mathematical Problems in Engineering 2014, 10
  15. M. Hirschler, F. Keller, M. Huber, W. Säckel, U. Nieken
    Ein Gitterfreies Berechnungsverfahren Zur Simulation von Koaleszenz in Mehrphasensystemen
    2013, Chemie Ingenieur Technik 85, 1099--1106
  16. F. Keller, U. Nieken
    Application of Smoothed Particle Hydrodynamics to Structure Formation in Chemical Engineering
    2011, Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, ISBN: 978-3-642-16229-9
  17. F. Keller, U. Nieken
    Simulation Der Morphologieausbildung von Offenporigen Materialien
    2010, Chemie Ingenieur Technik 82, 1391

Ansprechpartner

Manuel Hopp-Hirschler
Dr.-Ing.

Manuel Hopp-Hirschler

Gastdozent

Thorben Mager
M.Sc.

Thorben Mager

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Christian Zander
M.Sc.

Christian Zander

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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