CFD in der Verfahrenstechnik: Allgemeine Grundlagen und mehrphasige Anwendungen

351 Pages·2006·3.06 MB·German

by  Anja R. Paschedag

Titelei_Paschedag 31.03.2004 11:21 Uhr Seite 1 (Black/Process Black Bogen)
Anja R.Paschedag
CFD in der Verfahrenstechnik
CFD in der Verfahrenstechnik: Allgemeine Grundlagen und mehrphasige Anwendungen. Anja R. Paschedag
Copyright © 2004 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
ISBN: 3-527-30994-2
Titelei_Paschedag 31.03.2004 11:21 Uhr Seite 2 (Black/Process Black Bogen)
Zum erweiterten Studium empfehlen wir:
Matthias Bohnet
Mechanische Verfahrenstechnik
2004,ISBN 3-527-31099-1
Matthias Kraume
Mischen und Rühren
Grundlagen und moderne Verfahren
2002,ISBN 3-527-30709-5
Heinrich Schubert
Handbuch der Mechanischen Verfahrenstechnik
2002,ISBN 3-527-30577-7
Marko Zlokarnik
Stirring
Theory and Practice
2001,ISBN 3-527-29996-3
Wiley-VCH
Ullmann's Processes and Process Engineering
2004,ISBN 3-527-31096-7
Titelei_Paschedag 31.03.2004 11:21 Uhr Seite 3 (Black/Process Black Bogen)
Anja R.Paschedag
CFD in der Verfahrenstechnik
Allgemeine Grundlagen
und mehrphasige Anwendungen
WILEY-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA
Titelei_Paschedag 31.03.2004 11:21 Uhr Seite 4 (Black/Process Black Bogen)
Autorin Das vorliegende Buch wurde sorgfältig erarbeitet.
Dennoch übernehmen Autorin und Verlag für
Dr.Anja R.Paschedag die Richtigkeit von Angaben,Hinweisen und
Institut für Verfahrenstechnik Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler
TU Berlin,Sekretariat MA 5-7 keine Haftung
Straße des 17.Juni 135
10623 Berlin Bibliographische Information der Deutschen
Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese
Publikation in der Deutschen Nationalbiblio-
graphie;detaillierte bibliographische Daten sind
im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
© 2004 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA,
Weinheim
Alle Rechte,insbesondere die der Übersetzung
in andere Sprachen,vorbehalten.Kein Teil dieses
Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des
Verlages in irgendeiner Form – durch Photokopie,
Mikroverfilmung oder irgendein anders Verfah-
ren – reproduziert oder in eine von Maschinen,
insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen,
verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt
werden.Die Wiedergabe von Warenbezeichnun-
gen,Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen
in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme,
dass diese von jedermann frei benutzt werden
dürfen.Vielmehr kann es sich auch dann um ein-
getragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich
geschützte Kennzeichen handeln,wenn sie nicht
eigens als solche markiert sind.
Printed in the Federal Republic of Germany
Gedruckt auf säurefreiem Papier.
Printing Strauss Offsetdruck GmbH,Mörlenbach
Bookbinding Litges & Dopf Buchbinderei
GmbH,Heppenheim
ISBN 3-527-30994-2
FürFranzRys
Vorwort
Die Marktstärke von Unternehmen wird in zunehmendem Maß von der Fähigkeit be-
stimmt, neue Verfahren und Produkte in kürzer werdenden Entwicklungszeiten und mit
verbessertenQualitätsmerkmalenaufdenMarktzubringen.
AusdieserAnforderungergibtsich,dasseine moderneVerfahrenstechniknebenden
etablierten experimentellen und analytischen Methoden auch die „Computational Fluid
Dynamics“(CFD)zurProzessentwicklungund-optimierungnutzt.
Die „ComputationalFluid Dynamics“hatvor ca. 15Jahren ihrenEinzugin die Ent-
wicklungsabteilungenderProzessindustriegehalten.IndenAnfängenwurdesievorallem
zurBehandlungreinerStrömungs-undWärmetransportfragestellungenherangezogen.Mit
derzunehmendenAkzeptanzder„ComputationalFluidDynamics“indenEntwicklungs-
abteilungenundbeiderenKundenwurdendiephysikalischenundchemischenFragestel-
lungenzunehmendkomplexer.
Heute werden von den Ingenieuren mit Hilfe der „Computational Fluid Dynamics“
nebendeneinphasigenStrömungenauchmehrphasigeStrömungen,wiesieinBlasensäu-
len vorliegen,MischvorgängemitPopulationsbilanzenundreaktiveStrömungenwie die
VerbrennungoderdieKatalyseuntersucht.
Die „Computational Fluid Dynamics“ stellt eine Vielzahl von Modellen bereit. Die
KombinationdieserModellemitdenFragestellungenausdenAnwendungsgebietenführt
dannzueinemErkenntnisgewinnbeiderProzessentwicklungund-optimierung.
DieBreitederphysikalischenundchemischenFragestellungen,welchemitder„Com-
putationalFluidDynamics“untersuchtwerdenkönnen,setzengutausgebildeteNaturwis-
senschaftler voraus. Daneben müssen diese noch genügendEinblick in die numerischen
Methodender„ComputationalFluidDynamics“mitbringenumdiemächtigenkommerzi-
ellenCFD-Werkzeugeeffizientnutzenzukönnen.
Das vorliegende Buch schließt die Lücke zwischen der rein numerisch orientierten
CFD-LiteraturundderreinverfahrenstechnischorientiertenLiteratur.Inihmwerdendie
GrundlagenderTransportprozesseinein-undmehrphasigenSystemenundPopulations-
bilanzenausführlichundanschaulichbeschrieben.
Der Numerikteil des Buches orientiert sich an der Einteilung der Transportprozesse
undzeigtdem Leser unteranderem,wie die partiellenDifferentialgleichungenin nume-
risch lösbare Differenzengleichungen überführt werden. Die häufigen Verweise auf die
Transportprozessehelfen dem Leser zu verstehen, an welchen Stellen der Modellierung
beiderNumerikKompromissegemachtwerdenmüssenundwelcherPreisanRechenzeit
oderGenauigkeitdafürzuzahlenist.
viii Vorwort
Der letzte Block befasst sich mit der Nutzung der „ComputationalFluid Dynamics“
in der Praxis. Die dort beantworteten Fragestellungen sind: Wie verwendet man CFD?,
Nutzt man kommerzielle oder nicht-kommerzielle Software? und Wie kommt man von
derFragestellungzumSimulationsergebnis?WeiterhinwirdanausgewähltenBeispielen,
dem „Stoffübergangam umströmten Einzeltropfen“sowie der „Fällung von Bariumsul-
fat“,anschaulichgezeigt,aufwelcheWeise physikalischanspruchsvolleFragestellungen
mitHilfeder„ComputationalFluidDynamics“untersuchtwerdenkönnen.
Dieses Buch ist sowohl dem Einsteiger auf dem CFD-Gebiet zum empfehlen, da es
diesem das notwendige Rüstzeug in Theorie und Praxis bereitstellt, als auch dem fort-
geschrittenenCFD-Anwender,demesalsNachschlagewerkdienenkann.Diesesgiltvor
allemfürdieKapitelüberdieein-undmehrphasigenTransportprozesseunddiePopulati-
onsbilanzen.
März2004
WilfriedF.Schierholz
Vorsitzenderdes
GVC-Fachausschusses
„ComputationalFluidDynamics“
Danksagung
UmeinBuchüber„CFDinderVerfahrenstechnik“schreibenzukönnen,mussmansich
als Grenzgängerzwischen Naturwissenschaften, Mathematik und Ingenieurwissenschaf-
tenbewegen.EntsprechendvielfältigsinddieAnleihen,dieichfürdiesesBuchbeiWis-
senschaftlernverschiedenerGebieteundausverschiedenenZeitengenommenhabe.Diese
alle aufzuführen,würde den Rahmen der Danksagungsprengen. Diejenigen,auf die ich
direktBezugnehme,sindselbstverständlichimTexterwähnt.HiersollendieZeitgenossen
gewürdigtwerden,dieeinendirektenAnteilamWerdendesvorliegendenBucheshatten.
AnersterStelleseidabeiHerrMatthiasKraumegenannt,derseitmehralssechsJahren
meinewissenschaftlicheArbeitbegleitetundsieinvielenGesprächendurchAnregungen
bereichert hat. Er hat mir die materiellen Möglichkeiten eingeräumt, am Fachgebiet für
VerfahrenstechnikderTechnischenUniversitätBerlinmeinerForschungstätigkeitnachzu-
gehen. Seine Aufgeschlossenheitgegenüberanderen Denkansätzen und sein vielen Prü-
fungenausgesetzterHumorhabendieZusammenarbeitsehrangenehmgemacht.
DiedargestelltenErgebnisseresultierenausderZusammenarbeitmitdenKollegendes
Fachgebiets.DieArbeitenzumStofftransportamEinzeltropfenwurdenzueinemgroßen
Teil von Wahyu Piarah und Kai Schulze geleistet. Die Untersuchungenzur Fällung von
BariumsulfatsindTeildeseuropäischenProjektesPRATSOLIS.Dabeiwarbesondersdie
ZusammenarbeitmitdemPolitecnicodiTorino,speziellmitDanieleMarchisio,förderlich.
ManfrediSignorinowaraufSeitenderTUBerlinandiesemProjektbeteiligt.RobertAngst
dankeichdafür,dasserdieSimulationsdatendesGeschwindigkeitsfeldesimRührkessel
bereitgestellthat.
Viele Bausteine wurden von Studierenden im Rahmen von Studien- und Diplomar-
beitenzusammengetragen.InzeitlicherReihenfolgewarendies:FrankSeewald,Richard
Faber, EckhardOllig, Frédéric Chambon, Albrecht Wetzel, Maria Tornatora,Pablo Bar-
reiroGonzalez,IljaAusnerundMarkMoonen.
Wesentliche Verdienste an der Fertigstellungdes Buches habendie Herren Reinhard
Sperling,WilfriedSchierholzundMatthiasKraume,diedieRohfassunggründlichgelesen
unddasBuchdurchKorrekturenundAnmerkungenbereicherthaben.
EingroßerTeilderBilderwurdevonJanSchottundKickiKlevmarerstellt.Constan-
zeRichterhatdankenswerterWeisedieRechtschreibkorrekturvorgenommen.Technische
HilfeimKampfmitdenComputernleistetendieKollegenderZentraleinrichtungRechen-
zentrumderTUBerlin.
Für die angenehme Arbeitsatmosphäre und viele interessante Begegnungenund Ge-
x Danksagung
spräche innerhalb und außerhalbder Arbeitszeit möchte ich mich bei den Kollegen und
denStudierendendesFachgebietsVerfahrenstechniksowiebeiallenKollegen,mitdenen
ichmichindenletztenJahrenausgetauschthabe,bedanken.
BesondererDankgiltmeinemMannNorbertPaschedag.Erhatmichüberzeugt,dieses
Projektin Angriffzu nehmen,hatmich in allenschwierigenPhasen ermutigtundunter-
stütztundhatnichtzuletztgroßeTeilederGestaltungdesBuchesübernommen.Ohneihn
wäreesnichtentstanden.
AnjaR.Paschedag
Inhaltsverzeichnis
Symbolverzeichnis xvii
1 Einleitung 1
2 TransportineinphasigenSystemen 7
2.1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.1 Stoffwerte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.2 Systemgrößen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.3 Bilanzgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.4 Transportgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.5 UnabhängigeVariablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Bilanzgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 Kontinuitätsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2 Impulsbilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.3 Navier-Stokes-Gleichung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.4 MassenbilanzeninMehrstoffsystemen. . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.5 Energiebilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.5.1 InnereEnergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.5.2 KinetischeEnergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.5.3 PotentielleEnergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.5.4 Enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.5.5 WärmeundArbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.5.6 Wärmekapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.5.7 Wärmeleitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.5.8 Bilanzierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.5.9 HerleitungderTemperatur-Gleichung. . . . . . . . . . 21
2.2.6 Kontrollfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3 Rand-undAnfangsbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.1 ÜbersichtüberRandbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.2 ArtenvonRandbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.2.1 Wände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.2.2 Zulauf(inlet). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.2.3 Abfluss(outlet) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28