DIE WISSENSCHAFTLICHE VISUALISIERUNG UND RÜHRBEHÄLTER-REAKTOREN
DARSTELLUNG VON VOLUMETRISCHEN, ZEITABHÄNGIGEN DATEN

 

Um wissenschaftliche Ergebnisse zu verstehen und zu vermitteln, ist die Visualisierung unerlässlich. Die wissenschaftliche Visualisierung ist ein fachübergreifender Zweig moderner Naturwissenschaften, der sich mit der optischen Darstellung von wissenschaftlichen Datensätzen beschäftigt. Dies ist in der Regel eine in Zahlen gefasste Repräsentation komplexer physikalischer Phänomene und wird meist durch Experimente, Datensammlungen oder Computersimulationen erfasst. Typische Formen der Darstellung sind u.a. farbkodierte Bilder, Volumenvisualisierung, Isoflächen, Partikelspuren oder Vektorplots.

Die effektive Abbildung turbulenter fluiddynamischer Phänomene ist komplex. Turbulente Strömungen sind von Natur aus dreidimensional und transient (zeitabhängig). Obwohl in einigen Fällen eine stationäre Annäherung ausreicht, können die meisten dynamischen Phänomene nur durch die Untersuchung dieser transienten Daten in einer Animation verstanden werden.

Ein deutliches Beispiel für die Notwendigkeit einer zeitabhängigen Analyse mit Visualisierung ist die Untersuchung des Misch- und Resuspensionsverhaltens in gerührten Reaktoren. Die folgende Abbildungsreihe zeigt die Konzentration von Feststoffpartikeln zu verschiedenen Zeitpunkten. Diese Bilder wurden aus den Ergebnissen einer transienten CFD-Simulation errechnet. Die Simulation beginnt in einem Zustand völliger Ruhe mit unten liegender Feststoffschicht. Im Laufe der Zeit werden die Partikel resuspendiert und erreichen nach sechs Minuten den Zustand vollständiger Homogenität im gesamten Behälter.

 

Um die Animation zu sehen, klicken Sie bitte auf das Bild

Die zeitabhängige Analyse liefert präzise Antworten auf eine Reihe von Fragen:

Darüber hinaus ermöglicht eine CFD-Animation des gesamten zeitabhängigen Prozesses Erkenntnisse über das Strömungsverhalten und konvektive Muster.

Die Visualisierung volumetrischer Daten ist notwendig, um das Verhalten von nicht ideal durchmischten Behältern zu verstehen. Herkömmliche Experimente in der Chemieindustrie bzw. in der Wasseraufbereitung versuchen, die Verweilzeitverteilung (RTD) im Reaktor oder Tank zu beschreiben. Da die RTD-Analyse eindimensional ist, zeigt ihre einfache und nützliche Methodik schnell Probleme im Mischvorgang auf, aber die spezifische Ursache des Problems kann sie nicht bestimmen.

 

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Die obige Bildsequenz zeigt die volumetrische Dispersion eines Tracers in einem Ausflockungsbecken mit zwei Schaufelradmischern. Sie zeigt die klare Tendenz, dass der Tracer sich zwar stark an der Wasseroberfläche ausbreitet, die Vermischung im unteren Bereich des Beckens jedoch mangelhaft ist.

Die wissenschaftliche Visualisierung ist ein schnell wachsendes und spannendes Feld. Neu aufkommende Techniken zusammen mit der immer weiter zunehmenden Geschwindigkeit und Kapazität der benötigten Hardware ermöglichen es, eine wesentlich natürlichere und verständlichere Darstellung komplexer Phänomene zu schaffen.