Numerische Untersuchung der laminaren Mischung, Reaktion und des konjugierten Wärmeübergangs in modularen mikrofluidischen Systemen

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In zahlreichen Prozessen in der Chemie- und Verfahrenstechnik erlangen
mikrofluidische Systeme aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften eine wachsende
Bedeutung. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es unter anderem, neben Modellen und
theoretischen Aspekten die besonderen Gegebenheiten bei der numerischen
Simulation mikrofluidischer Systeme in der Praxis darzustellen.
Im Grundlagenteil erfolgt, neben einer Beleuchtung des Einflusses der
geometrischen Skalierung von makroskopischen auf mikroskopische Skalen auf den
Wärme- und Stoffübergang sowie den chemischen Stoffumsatz, die Darstellung
verschiedener Methoden zur Beurteilung der Mischungsgüte in mikrofluidischen
Systemen. Als Erweiterung eines ursprünglich experimentellen Ansatzes zur
Mischungscharakterisierung wird die im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelte
numerische Implementierung des Villermaux-Dushman-Reaktionssystems in einen
kommerziellen CFD-Code vorgestellt. Die Analyse der geometrischen
Herabskalierung zeigt, dass unter Annahme geometrischer Ähnlichkeit Mikrosysteme
gegenüber Makrosystemen bezüglich ihres hydrodynamischen Verhaltens sowie des
Speziestransports keine Unterscheide aufweisen. Hinsichtlich der thermischen
Kontrolle steht im Falle einer Herabskalierung einem konstanten Verhalten der
Kenngröße für die konvektive Wärmeabfuhr ein quadratischer Dämpfungseinfluss der
Skalierung auf die reaktive Wärmefreisetzung gegenüber. Mikrofluidische Systeme
ermöglichen somit eine gute thermische Kontrolle exotherm verlaufender Reaktionen.
Im Praxisteil zeigen Untersuchungen der Mischungsquantifizierungsmethoden, dass,
je nach Ansatz, sich teils sehr hohe Anforderungen an die numerische Auflösung des
Berechnungsgebiets stellen. Weiterhin wird dargelegt, dass bei moderatem
Berechnungsaufwand gute Übereinstimmungen zwischen experimentellen und
numerischen Resultaten unter Einsatz des im Rahmen der vorliegenden Arbeit
entwickelten CFD-Modells zur Abbildung des Villermaux-Dushman-
Reaktionssystems erzielt werden können.
Im Rahmen der numerischen Untersuchung mikrofluidischer Wärmeübertrager wird
der Einfluss verschiedener Übertragungskonzepte (Kreuzgegenstrom- und reines
Kreuzstromkonzept) vorgestellt sowie die spezifischen Vor- und Nachteile der
einzelnen Designs herausgearbeitet.