Mehrphasentransport - Modellierung von Stoff- und Wärmeübertragungsvorgängen in Mehrphasen-Systemen

In einer Vielzahl von technischen Anwendungen im Fahrzeugbereich spielen in zunehmendem Maße Mehrphasentransportvorgänge eine wichtige Rolle. Beispiele sind der SCR-Katalysator mit Harnstoffeindüsung, der Diesel-Oxidationskatalysator mit HC-Dosierung, Filter und Abscheidesysteme sowie Kraftstoffreformer und Brennstoffzelle. In allen Fällen ist die sichere Beherrschung von Mehrphasenprozessen, wie beispielsweise die Zudosierung des flüssigen Mediums, Kondensation und Verdampfung, Flüssigkeitstransport, Mischungsvorgänge sowie Wärmeübergangsprozesse in freien Strömungsquerschnitten, vor allem in porösen Medien, kritisch für Funktionssicherheit und erzielbare Leistungsdaten. In diesem Zusammenhang ergeben sich eine Reihe von Problemstellungen insbesondere in der Modellierung, welche die Motivation für das vorliegende Projekt darstellt. Ein wesentlicher Teil der Problemstellungen bei der Auslegung und dem Betrieb von Mehrphasensystemen entsteht durch das Vorliegen einer zweiten, flüssigen Phase im freien Strömungsfeld und vor allem in porösen Strukturen, durch welche das Mehrphasengemisch transportiert wird. Das flüssige Medium beeinflusst dabei die Funktion der relevanten Bauteile auf verschiedenste Weise: 1) Die Konvektion und Diffusion der gasförmigen Phase durch das poröse Medium wird durch das Vorliegen einer flüssigen Phase behindert. 2) Durch den Impuls des strömenden Gases wird das flüssige Medium ausgetragen. Diese Konvektion wird durch das Vorliegen einer porösen Struktur behindert. 3) Reaktionswärme aufgrund von Gasphasenreaktionen sowie heterogenen Reaktionen an katalytischen Oberflächen, und die latenten Enthalpien der Phasenübergänge müssen in vielen Fällen über die feste Struktur in ein Kühlfluid transportiert werden. Ziel des vorliegenden Projekts ist die Modellierung dieser Transportprozesse. Die Modelle sollen in den kommerziellen CFD-Code FIRE implementiert werden. Anhand von Messdaten aus der Literatur zu Abgasnachbehandlungssystemen und PEM-Brennstoffzellen soll das Gesamtmodell anschließend validiert werden.