Strömungssimulation als Werkzeug zur Bioreaktorcharakterisierung:
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INHALTSVERZEICHNIS
V
INHALTSVERZEICHNIS
1 EINLEITUNG 1
2 PROBLEMSTELLUNG UND ZIELSETZUNG 3
3 THEORETISCHE GRUNDLAGEN 5
3.1 ASPEKTE V O N STROEMUNGEN IN RUEHRKESSELREAKTOREN 5
3.1.1 RHEOLOGISCHES VERHALTEN V O N FLUIDEN 7
3.1.2 HOMOGENISIERUNG IN RUEHRKESSELN 9
3.1.3 LEISTUNGSEINTRAG 12
3.1.4 SAUERSTOFFEINTRAG 16
3.2 MATHEMATISCHE BESCHREIBUNG V O N STROEMUNGEN 20
3.2.1 MASSENERHALTUNG 21
3.2.2 ERHALTUNGSGLEICHUNGEN FUER SKALARE GROESSEN 22
3.2.3 IMPULSERHALTUNG 23
3.2.4 INKOMPRESSIBLE STROEMUNGEN (NAVIER-STOKES-GLEICHUNG) 25
3.2.5 MEHRPHASIGE STROEMUNGEN 26
3.3 NUMERISCHE SIMULATION V O N STROEMUNGEN 30
3.3.1 EIGENSCHAFTEN NUMERISCHER VERFAHREN 30
3.3.2 DIE FINITE-VOLUMEN-METHODE 32
3.3.3 RECHENGITTER 33
3.3.4 OERTLICHE DISKRETISIERUNG 36
3.3.5 RANDBEDINGUNGEN 43
3.3.6 ZEITLICHE DISKRETISIERUNG 44
3.3.7 DIREKTE NUMERISCHE SIMULATION (DNS) 47
3.3.8 TURBULENZMODELLIERUNG 48
3.3.9 MODELLIERUNG V O N BEWEGTEN EINBAUTEN IN RUEHRKESSELN 53
3.3.10 MODELLIERUNG MEHRPHASIGER STROEMUNGEN 54
3.3.11 SIMULATION DES STOFFUEBERGANGS AUS DER GAS- IN DIE FLUESSIGPHASE 55
3.4 VERIFIZIERUNG UND VALIDIERUNG NUMERISCHER SIMULATIONEN 56
3.4.1 RUNDUNGSFEHLER 57
3.4.2 ITERATIONSFEHLER 57
3.4.3 DISKRETISIERUNGSFEHLER 59
3.4.4 BESTIMMUNG DES DISKRETISIERUNGSFEHLERS MIT DER
RICHARDSON-EXTRAPOLATION_ 60
3.4.5 MODELLFEHLER 62
4 MATERIAL UND METHODEN 63
4.1 SIMULIERTES PARALLELES MILLILITER-BIOREAKTORSYSTEM 63
4.1.1 GASINDUZIERENDER RUEHRER 64
4.1.2 PADDELRUEHRER _ _ 6 4
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IMAGE 2
INHALTSVERZEICHNIS
4.1.3 H - UND S-RUEHRER 65
4.2 SIMULIERTE FLUIDE 66
4.3 VERWENDETE COMPUTERPROGRAMME 67
4.4 VERWENDETE HARDWARE 67
4.5 VERWENDETE RECHENGITTER 68
4.6 EINSTELLUNGEN UND MODELLE DER SIMULATIONEN 69
4.6.1 SIMULATION DES GASINDUZIERENDEN RUEHRERS 70
4.6.2 SIMULATION DES PADDELRUEHRERS 72
4.6.3 SIMULATION V O N H - UND S-RUEHRER 74
4.7 ABSCHAETZUNG DES DISKRETISIERUNGSFEHLERS NACH RICHARDSON 76
ITERATIONS- UND DISKRETISIERUNGSFEHLER 78
5.1 SIMULATION DES GASINDUZIERENDEN RUEHRERS 78
5.1.1 ITERATIONSFEHLER UND ABBRUCHKRITERIUM 78
5.1.2 DISKRETISIERUNGSFEHLER 81
5.1.3 ZUSAMMENFASSUNG 86
5.2 SIMULATION DES PADDELRUEHRERS 86
5.2.1 ITERATIONSFEHLER UND ABBRUCHKRITERIUM 86
5.2.2 DISKRETISIERUNGSFEHLER 90
5.2.3 ZUSAMMENFASSUNG 94
5.3 SIMULATION DES S-RUEHRERS 94
5.3.1 ITERATIONSFEHLER UND ABBRUCHKRITERIUM 94
5.3.2 DISKRETISIERUNGSFEHLER 97
5.3.3 ZUSAMMENFASSUNG 104
5.4 VERGLEICH DER DREI UNTERSUCHTEN RUEHRER 104
SIMULATION DES LEISTUNGSEINTRAGS 107
6.1 GASINDUZIERENDER RUEHRER 107
6.1.1 DISKUSSION 110
6.1.2 ZUSAMMENFASSUNG 112
6.2 PADDELRUEHRER 112
6.2.1 DISKUSSION ; 115
6.2.2 ZUSAMMENFASSUNG 116
6.3 H-RUEHRER 116
6.3.1 DISKUSSION 119
6.3.2 ZUSAMMENFASSUNG 120
6.4 S-RUEHRER 120
6.4.1 DISKUSSION 125
6.4.2 ZUSAMMENFASSUNG 126
6.5 VERGLEICH DER BETRACHTETEN RUEHRERTYPEN 127
SIMULATION DES EINTRETENDEN GASVOLUMENSTROMS DES GASINDUZIERENDEN
RUEHRERS 129
7.1 STROEMUNGSBILD 129
IMAGE 3
INHALTSVERZEICHNIS
VII
7.2 ZWEIPHASIGE SIMULATIONEN ZUR BESTIMMUNG DES EINTRETENDEN
GASVOLUMENSTROMS 132
7.3 ZUSAMMENFASSUNG 137
8 SIMULATION DER PHASENGRENZFLAECHE DES PADDELRUEHRERS 138
8.1 STROEMUNGSBILD 138
8.2 BESTIMMUNG DER SPEZIFISCHEN PHASENGRENZFLAECHE 140
8.3 BESTIMMUNG DES MASSENTRANSPORTKOEFFIZIENTEN 144
8.4 SIMULATION DER PHASENGRENZFLAECHE U N D DES
STOFFUEBERGANGSKOEFFIZIENTEN MIT EINEM VISKOSEN FLUID 146
8.5 ZUSAMMENFASSUNG 149
9 SIMULATION DES HOMOGENISIERVERHALTENS DES S-RUEHRERS 151
9.1 OPTIMIERUNG DER RUEHRERGEOMETRIE MITHILFE V O N STROEMUNGSSIMULATION
151
9.2 ERGEBNISSE DER MISCHZEITSIMULATIONEN 158
9.3 SIMULATION V O N STROEMUNG UND MISCHVERHALTEN MIT STRUKTURVISKOSEN
FLUIDEN 164
9.4 ZUSAMMENFASSUNG 168
10 ZUSAMMENFASSUNG 169
11 AUSBLICK 173
12 LITERATURVERZEICHNIS 175
13 ANHANG 188
13.1 SYMBOLVERZEICHNIS 188
13.2 QUALITAET DER VERWENDETEN NETZE 195
13.3 VERWENDETE EINSTELLUNGEN UND MODELLE DER SIMULATIONEN 198
13.3.1 SIMULATIONEN DES GASINDUZIERENDEN RUEHRERS 198
13.3.2 SIMULATIONEN DES PADDELRUEHRERS 201
13.3.3 SIMULATIONEN DES H - UND S-RUEHRERS 203
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