mollierSolver - ein CFD Solver für Phasenübergänge von Wasser

Das Bild zeigt die Feuchte in der Atemluft des Fahrers, der im Moment durch die Nase ausatmet.

mollierSolver ist ein instationärer, dichtebasierter RANS-Solver der das Mollier-T-H-X-Diagramm abbildet. Er wurde zur Verwendung mit OpenFOAM entwickelt. Die erste Implementierung ist auf das System Eis/Wasser/Dampf im Bereich von -50 bis 100°C zugeschnitten. Es werden alle in diesem System möglichen Stoff- und Wärmeübergänge in dem Trägerfluid (Luft) modelliert, also Verdampfen, Kondensieren, Schmelzen, Kristallisieren, Sublimieren und Resublimieren. Der Solver ist äusserst vielfältig für alle erdenklichen Kondensations bzw. Verdampfungsvorgänge (nicht nur jene im System Eis/Wasser/Dampf) anwendbar. In einer konsequenten Weiterentwicklung haben wir den Solver für Stoff- und Wärmeübergänge beliebiger Substanzen adaptiert.

Wir haben unseren Code sehr flexibel gestaltet, sodass wir eine ganze Reihe an Prozessparametern an Fälle wie beispielsweise Adsorption / Desorption und Fluid-Feststoff Wärmeübergang anpassen können. Das erlaubt uns spezifische Verdampfungs- und Kondensationsraten für beliebige Oberflächen zu definieren und gleichzeitig den vollen Effekt des entsprechenden Wärmeüberganges von Fluiden auf die Oberfläche zu berücksichtigen. Im Endeffekt gibt uns das ein Modell für Adsorption (Chemisorption und Physisorption) für CFD Simulationen in die Hand. Sie wollen wissen wie die Fluidmechanik die Aktivität eines Katalysators beeinflusst, oder wollen ein Adsorptionsbett optimieren? Es gibt eine Unzahl an industriellen Anwendungen in denen diese Mechanismen eine entscheidende Rolle spielen von der Adsorption von Proteinen auf Implantaten und anderen Biomaterialien bis bin zu Adsorptions-Kühlgeräten reicht die Palette.

Als ein konkretes Anwendungsbeispiel aus der Praxis, mit dem wohl fast jeder schon konfrontiert war, zeigen wir hier das Freiblasen einer angelaufenen Windschutzscheibe. Um den Einfluss von Personen im Fahrerraum zu berücksichtigen wurde ein Modell entwickelt, das die realistische Simulation von Atmung, Schwitzen so wie beliebigen anderen Feuchtequellen erlaubt. Folgendes Video zeigt das Freiblasen der Windschutzscheibe und der Scheibe der Fahrerseite unter widrigen Wetterbedingungen im Winter.


 

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Wer sich fragt, wieso der untere Bereich der Scheibe im Video schon nach 10 Sekunden abgetaut ist: in unserer Simulation ist nicht berücksichtigt, dass sich in der Praxis nach dem Starten des Motors auch die Gebläseluft erst langsam erwärmt. In der Simulation wird konstant warme Luft gleich von Anfang an eingeblasen. Selbstverständlich ist es aber möglich auch diesen Faktor in der Simulation zu berücksichtigen.

Das Anwendungsgebiet für mollierSolver ist sehr breit gefächert. Im Prinzip kann er überall dort zum Einsatz kommen, wo Phasenübergänge für die Lösung eines spezifischen Problems relevant sind. Das könnten etwa Probleme im Bereich von Ventilationseinrichtungen sein (Feuchte in Reinräumen, Elektroräumen, ...) oder aber beispielsweise auch im industriellen Kontext bei Kühlvorgängen. So kann etwa unerwünschte Kondensation (zB: Wärmerückgewinnung in der Abluft von Trockungsanlagen; Kühlung bei Filmextrusionsanlagen, Kondensation an der Decke von Produktionsanlagen etc.) in einer Simulation erfasst und optimiert werden.

 

  

 

  

 
Aus der Fahrerperspektive:
  

 

Die Bilder des Simulationsergebnisses zeigen die Verteilung der relativen Luftfeuchtigkeit im Bereich von 35 bis 100% im Inneren und an den angelaufenen Fenstern eines Sportwagens 10 Sekunden nach Aktivierung des Frontscheibengebläses. Hat die relative Luftfeuchte einen Wert von 100% (rote Flächen), so kondensiert die Feuchte in Form von feinen Tröpfchen, die die freie Sicht durch die Scheibe versperren. Die eingeblasene, warme Luft bewirkt, dass die relative Feuchte sinkt (blaue Flächen) wodurch die Wassertröpfchen verdampfen und die Durchsicht durch die Scheibe erlauben.

 

Validierung des CFD-Codes

Ein Experiment zum Be- und Abtauen wurde entworfen um die Leistung von mollierSolver unter realistischen Bedingungen zu testen. Das Experiment wurde in einer Glaskammer mit einem polierten Metallspiegel durchgeführt. Der Metallspiegel wurde auf der Hinterseite gut isoliert und auf +/- 0,01K genau mit einem empfindlichen Thermostaten auf eine bestimmte Temperatur eingestellt. Von oben wurde ein Freistrahl mit bestimmter Temperatur und konstanter Feuchte ein wenig unterhalb der Sättigungsfeuchte in die Kammer geblasen. Sobald der Freistrahl auf den kälteren Spiegel trifft, kühlt er sich ab und Wasser kondensiert auf der Metalloberfläche. Die Kondensations- so wie Verdampungsraten auf der Metalloberfläche werden gemessen (über die Energie die benötigt wird, die Metalloberfläche auf konstanter Temperatur zu halten) und mit den Ergebnissen aus der Simulation verglichen.

 

Im Grunde ähnelt das Experiment einem Phänomen, mit dem man selbst oft konfrontiert ist: wenn man in einem kalten Badezimmer das heiße Wasser aufdreht, steigt die warme, feuchte Luft auf und der Spiegel über dem Becken beschlägt in wenigen Sekunden.
Das Video unten zeigt den Verlauf des Experiments: ganz links ist der polierte Metallspiegel zu sehen (ganz zu beginn kann man das Kamerastativ noch erkennen, wenn man genau hin sieht), im mittleren Abschnitt ist die Simulation zu sehen (blau bedeutet, dass die Spiegeloberfläche trocken ist, je roter die Ansicht wird, desto mehr Wasser ist kondensiert) und auf der rechten Seite sieht man den Vergleich zwischen der gesamten, kondensierten Wassermenge im Experiment (hellblau) und in der Simulation (dunkelblau).


 

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mollierSolver is developed by Rheologic GmbH. This offering is not approved or endorsed by OpenCFD Limited, the producer of the OpenFOAM software and owner of the OPENFOAM® and OpenCFD® trade marks. OPENFOAM® is a registered trade mark of OpenCFD Limited, the producer of the OpenFOAM software.