Mehrphasenströmung - Volume of Fluid (VOF) Methode

Prozessintensivierung ist ein Begriff, der zur Zeit in aller Munde ist. Ziel der Prozessintensivierung in der Verfahrenstechnik  ist, Raum-Zeit-Ausbeuten zu erhöhen, Selektivitäten zu verbessern und insgesamt die Produktionskosten zu senken.  Der Optimierung eines Prozesses steht jedoch oft die Limitierung des Stoff- und Wärmetransportes im Weg. Eine Möglichkeit den Stoff- bzw. Wärmetransport zu erhöhen, besteht darin, das Oberflächen zu Volumenverhältnis eines Apparates  zu vergrößern, wie es z.B. bei einem mikrostrukrierten Apparat der Fall ist.

Speziell den Mehrphasenprozessen in mikrostrukturierten Bauteilen wird ein großes Potenzial in der Prozessintensivierung zugeschrieben. Der Grund hiefür liegt in den sich einstellenden großen Phasengrenzflächen, dünnen Flüssigkeitsfilmen und kurzen Diffusionswegen in den Mikrokanälen. Werden all diese Punkte vereint, resultieren daraus Apparate mit großen Stoff- und Wärmeübergangszahlen.

Ziel der Prozessintensivierung ist es auch, optimale Bedingen für die im Apparat ablaufenden Prozesse zu ermöglichen. Hiefür ist es jedoch häufig notwendig, die physikalischen und chemischen Abläufe mit orts- und zeitaufgelöste Messungen näher zu untersuchen. Um über Experimente an die gewünschten Informationen zu gelangen, wird in der Mikroverfahrenstechnik durch die kleinen Abmessungen der Mikrokanäle deutlich erschwert. Eine mögliche Alternative zur Messtechnik ist die orts- und zeitaufgelöste Simulation mittels CFD.

Mit der in vielen CFD-Codes  enthaltenen VOF-Methode (Volume of Fluid) ist es möglich die Phasengrenzflächen in mehrphasigen Systemen zu berechen. Die grundlegende Idee der VOF-Methode ist es, eine dimensionslose skalare Größe f einzuführen, die den Volumenanteil der kontinuierlichen Phase innerhalb einer Rechen- bzw. Gitterzelle quantifiziert. Der Wert von f liegt zwischen 0 und 1. Ist f = 0 befindet sich in der Zelle nur dispese Phase(n). Nimmt f den Wert 1 an, ist die Zelle vollständig mit der kontinuierlichen Phase gefüllt. Verläuft eine Phasengrenzfläche durch eine Zelle gilt für f: 0 < f < 1.

Die zwei folgenden Filme sollen die Berechnung der Phasengrenzfläche mit der VOF-Methode verdeutlichen. In Video 1 wird das Einströmen eines Gases durch eine kleine Öffnung in ein mit Flüssigkeit durchströmten Kanal gezeigt.

Video 2 zeigt das Aufsteigen einer Gasblase in einem Mikrokanal. Über die Phasengrenzfläche wird Gas an die Flüssigkeit abgegeben, in der es gelöst wird. Beim Aufsteigen verringert sich dadurch das Volumen der Blase.