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Simulation
Stromlinien in einer regenerativen Glasschmelzwanne © GWI

Mehr als nur bunte Bilder

Kaum eine Technologie hat sich in den letzten Jahrzehnten so dramatisch weiterentwickelt wie die Computertechnik. Die Auswirkungen sind überall zu spüren, sowohl im Alltag als auch in der Industrie. Numerische Strömungssimulationen (CFD: computational fluid dynamics) werden heute völlig selbstverständlich nicht nur im Bereich der Forschung, sondern auch in der Industrie bei der Analyse, der Auslegung und der Optimierung verfahrenstechnischer Anlagen und Prozesse eingesetzt. Sie erlauben Einblicke, die mit Mitteln der Messtechnik kaum oder nur unter großem Aufwand möglich sind.

Das GWI nutzt die Möglichkeiten moderner Simulationsverfahren, insbesondere so genannte CFD-Verfahren, seit Jahren, sowohl im Rahmen von öffentlichen Forschungsprojekten als auch in Industriekooperationen. Durch die Kombination messtechnischer Untersuchungen und numerischer Strömungssimulationen können Prozesse und Anlagen ganzheitlich analysiert und optimiert werden.

Ein Schwerpunkt der Simulationsaktivitäten des GWI liegt im Bereich der numerischen Strömungssimulation von thermoprozesstechnischen Anlagen, etwa in der Metall-, Glas- oder Keramikindustrie. In solchen Anlagen, bei denen Energie im MW-Bereich umgesetzt werden kann, interagieren die turbulente Strömung, konvektive und radiative Wärmeübertragungsmechanismen und die chemischen Prozesse der Verbrennung und Schadstoffbildung miteinander. Mit Hilfe numerischer Verfahren und Modellierungsansätzen können solche komplexen Systeme simuliert, analysiert und somit auch optimiert werden, etwa in Bezug auf die energetische Effizienz oder eine Reduktion der Schadstoffemissionen. Durch den kombinierten Einsatz von messtechnischen und simulativen Verfahren können die jeweiligen Vorteile beider Methoden genutzt werden, um die komplexen Zusammenhänge bei technischen Verbrennungsprozessen ganzheitlich zu erfassen und zu analysieren. Der kontinuierliche Abgleich von Daten und Ergebnissen aus Simulation und Messung im eigenen Hause sichert damit die Belastbarkeit der Simulationsergebnisse ab. Auf diese Weise können am Prüfstand validierte Erkenntnisse belastbar auf konkrete Anlagen im Industriemaßstab übertragen werden.

Gerade auch für Fragen, die sich im Kontext der Dekarbonisierung von Prozesswärme ergeben, sind CFD-Simulationen ein wichtiges Werkzeug: beispielsweise können mit ihnen die Auswirkungen eines Brennstoffwechsels von Erdgas auf Wasserstoff am Computer „durchgespielt“ werden, um Veränderungen zu erkennen, zu bewerten und vorab geeignete Kompensationsansätze zu entwickeln. In Anbetracht der Komplexität solcher großen Industrieanlagen und den damit verbundenen Kosten und Risiken sind CFD-Simulationen ein wichtiges Werkzeug für energieintensive Industrien, um den sich verändernden Anforderungen zu begegnen.  

Reaktionskinetik Laminare Verbrennungsgeschwindigkeiten CH4 vs H2 © GWI

Neben CFD-Simulationen, bei denen Strömungs- und Verbrennungsprozesse in realen dreidimensionalen Geometrien abgebildet werden, setzt das GWI auch reaktionskinetische Simulationen ein. Hier werden Verbrennungsprozesse in extrem abstrahierten Modellgeometrien, aber mit sehr detaillierten reaktionskinetischen Mechanismen, abgebildet. Auf diese Weise können z. B. neue Brennstoffe wie Wasserstoff (H2) oder Ammoniak (NH3) charakterisiert werden und Effekte in Bezug auf die Schadstoffbildung oder das Zündverhalten mit geringem Aufwand abgeschätzt werden. 

Vergleich zwischen gemessenen und simulierten CO2 Konzentrationen bei einer Erdgas-Sauerstoff Verbrennung © GWI
Visualisierung der Flammenfront mittels OH*-Chemilumineszenz und CFD-Simulation © GWI
CFD-Simulation eines Oxy fuel Aluminiumschmelzofens mit den Brennstoffen Erdgas und Wasserstoff © GWI