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

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.