Modeling and simulation of dispersed two-phase flow transport phenomena in electrochemical processes

Nierhaus, Thomas; Schröder, Wolfgang

doi:3001

Modeling and simulation of dispersed two-phase flow transport phenomena in electrochemical processes = Modellierung und Simulation von Transportvorgängen disperser Zweiphasentrömungen in elektrochemischen Prozessen

Nierhaus, Thomas (Author)

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Thomas Nierhaus

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangXXII, 172 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009. - Vrije Universiteit Brussel, Diss. 2009

Zsfassung in dt. u. engl. Sprache. - Cotutelle-Dissertation

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schröder, Wolfgang (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-10-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-30013
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51363/files/Nierhaus_Thomas.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamisches Institut (415110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Numerische Strömungssimulation (Genormte SW) ; Dispersion (Genormte SW) ; Partikel (Genormte SW) ; Blasen (Genormte SW) ; Elektrochemie (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; CFD (frei) ; dispersion (frei) ; particles (frei) ; bubbles (frei) ; electrochemistry (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Modellierung sowie die Entwicklung numerischer Methoden zur computergestützten Simulation von Zweiphasenströmungen sind von großer Bedeutung in der heutigen CFD. Im Gegensatz zu Einphasenströmungen, bei denen die physikalischen Grundlagen weitestgehend erforscht sind und zu deren Simulation eine Vielzahl numerischer Methoden existiert, liegen Zweiphasenströmungen weitaus komplexere physikalische Zusammenhänge zugrunde, welche noch nicht vollends erforscht sind. Die Schwierigkeit in der Modellierung von Zweiphasenströmungen liegt in der Vielzahl von auftretenden Strömungskonfigurationen, zu deren Simulation in den letzten Jahrzehnten ein großer Fundus an numerischen Methoden entwickelt wurde. Aus der Analyse dieser Entwicklung lässt sich schlussfolgern, dass die Anwendbarkeit einer bestimmten numerischen Methode stark von der Strömungskonfiguration abhängig ist. Grundsätzlich gilt, dass eine umfassende Analyse des zugrunde liegenden Strömungsproblems unabdingbar für die Wahl der Simulationsmethode ist. Die vorliegende Arbeit behandelt die Modellierung und Simulation disperser Zweiphasenströmungen. Diese Art von Strömung zeichnet sich durch eine kontinuierliche Trägerphase aus, die disperse Partikel oder Bläschen beinhaltet. In der Anwendung unterscheiden sich Partikelströmungen zwar grundlegend von Bläschenströmungen, jedoch lassen sich bezüglich der Strömungskonfiguration viele Ähnlichkeiten feststellen. Bei beiden Strömungstypen ist die Sekundärphase auf kleine Entitäten in der Primärphase verteilt. Die Phasengrenzen sind klein und kommen nur lokal vor. Der einzige Unterschied besteht folglich in den unterschiedlichen Aggregatzuständen und Materialeigenschaften der Phasen. Dieser Umstand läßt die Schlussfolgerung zu, dass sich beide Strömungstypen grundsätzlich mit derselben numerischen Methode simulieren lassen. Die Modellierungsparameter bestimmen dabei den Typ der Zweiphasenströmung. Der in dieser Arbeit verwendete Ansatz zur Simulation verschiedener Typen disperser Zweiphasenströmungen ist die Euler-Lagrange-Methode. Die Arbeit dokumentiert die Entwicklung eines numerischen Werkzeugs zur Simulation von Partikel- und Bläschenströmungen und zeigt die Gemeinsamkeiten sowie die Unterschiede dieser beiden Strömungstypen auf. Die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge werden durch zahlreiche Simulationsbeispiele veranschaulicht, welche darüber hinaus zur Validierung der im Rahmen der Arbeit entwickelten Modellierungssoftware dienen. Eine weitere große Herausforderung in der heutigen CFD ist die Integration verschiedener Simulationstechniken, um komplexe Probleme, welche verschiedene physikalische und chemische Aspekte beinhalten, numerisch zu lösen. Ein heutzutage oft referenziertes Schlüsselwort in diesem Zusammenhang ist Multi-physics. Ein Beispiel für eine solche komplexe Problemstellung ist die Kombination einer Zweiphasenströmung mit einem elektrochemischen Prozess, in dem Ionentransport und Reaktionskinetik eine Rolle spielen. In der heutigen wissenschaftlichen Literatur findet sich eine Vielzahl von Modellen zur Simulation von Zweiphasenströmungen und elektrochemischen Prozessen, doch nur wenige prämature Ansätze, welche diese beiden Phänomene in einem integrierten Rechenverfahren miteinander koppeln. Die vorliegende Arbeit beschreibt einen Ansatz zur Modellierung und integrierten Simulation von Bläschenströmungen, Ionentransport und gaserzeugunden elektrochemischen Reaktionen. Dabei wird die Zweiphasenströmung wie beschrieben mit der Euler-Lagrange-Methode simuliert, während die elektrochemischen Parameter mit dem Multi Ion Transport and Reaction Model (MITReM) berechnet werden. Dies resultiert in einem integrierten numerischen Ansatz, der es erlaubt, auftretende Kopplungen zwischen Zweiphasenströmung und elektrochemischen Phänomenen zu simulieren. Beispiele für solche Kopplungen sind der Einfluss der Gasphase auf die elektrische Leitfähigkeit eines Elektolyts sowie das Stromdichtefeld, oder der Umsatz eines an einer Elektrode auftretenden Gasmassenstroms in Gasbläschen. Der in dieser Arbeit gezeigte Ansatz beinhaltet einige wissenschaftliche Neuheiten im Hinblick auf die Kopplung multiphysikalischer Phänomene.

Modeling the physics of two-phase flows and the development of numerical tools for their simulation are important challenges in modern CFD. Contrary to single-phase flows, where the underlying physics is quite well understood and relatively general numerical methods can be employed in flow simulations, the physical phenomena occurring in two-phase flows are far more versatile and still not fundamentally understood in all details. The difficulties in multiphase flow modeling arise from large dissimilarities between different types of flow configurations and the complex flow conditions associated. Various modeling approaches and numerical methods have been derived and applied in this scope during the last decades. This process lead to the conclusion that the applicability of a particular modeling approach strongly depends on the type of two-phase flow configuration involved. In other words, to pick an adequate numerical approach to simulate a particular two-phase flow problem on a computer, it is required to carefully identify the underlying physics before selecting a solution method. This Ph.D. thesis deals with modeling and simulation of dispersed two phase flows. Such flows involve a continuous carrier medium that contains small dispersed particles or bubbles. In terms of material properties and states of matter involved, gaseous flows involving solid particles differ significantly from liquid flows involving gas bubbles. However, if we regard the physical topologies of these two types of two-phase flow, we see that there are also very high similarities. In dispersed flows, the secondary phase is scattered into small entities in a continuous primary phase flow. The phase interfaces in dispersed two-phase flows are very small compared to the the global scale of the flow problem of interest. These circumstances lead to the conclusion that dispersed two-phase flows, regardless of their physical parameters, can generally be treated by a unified modeling approach, where only the modeling parameters distinguish the sub-type of the flow, may it be of particle-laden or bubbly nature. A promising model to provide a numerical solution to incorporate different types of dispersed two-phase flows is the Eulerian-Lagrangian approach. In the present work, the development of an integrated numerical tool for the simulation of particle-laden and bubbly two-phase flows based on this approach is documented. The large similarities but also the differences between particle-laden and bubbly flows are identified and taken into account in the simulations carried out in the scope of this work. Various simulation examples to validate the simulation software are given for both flow sub-types. A further challenge in nowadays CFD is the integration of combined simulation approaches that allow to track different physical and even chemical mechanisms. A frequently referred key word concerning such ambitious intentions is {it multi-physics}. A topical numerical application of a multi-physical problem is the combination of dispersed two-phase flow with electrochemical phenomena such as ion transport and reaction kinetics. In nowadays literature, broad spectra of models exist to simulate two-phase flow and electrochemistry separately, while an integrated approach taking into account the coupling and interaction of both phenomena has not been addressed in great detail so far. In the present Ph.D. thesis, an approach for the numerical modeling of bubbly two-phase flow combined with ion transport and gas-producing electrochemical reactions is carried out. The fluid flow part of the problem is addressed by the Eulerian-Lagrangian approach while the electrochemistry is taken into account by the Multi Ion Transport and Reaction Model (MITReM). An integrated numerical method combining those two building blocks allows to take into account coupling effects, such as the influence of the gas phase on the conductivity of a liquid electrolyte and the current density field as well as the conversion of a gas flux into a set of bubbles on a gas-producing electrode. This approach is found promising and comprises a set of novelties regarding multi-physics simulations.

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