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

In zahlreichen Prozessen in der Chemie- und Verfahrenstechnik erlangenmikrofluidische Systeme aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften eine wachsendeBedeutung. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es unter anderem, neben Modellen undtheoretischen Aspekten die besonderen Gegebenheiten bei der numerischenSimulation mikrofluidischer Systeme in der Praxis darzustellen.Im Grundlagenteil erfolgt, neben einer Beleuchtung des Einflusses dergeometrischen Skalierung von makroskopischen auf mikroskopische Skalen auf denWärme- und Stoffübergang sowie den chemischen Stoffumsatz, die Darstellungverschiedener Methoden zur Beurteilung der Mischungsgüte in mikrofluidischenSystemen. Als Erweiterung eines ursprünglich experimentellen Ansatzes zurMischungscharakterisierung wird die im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickeltenumerische Implementierung des Villermaux-Dushman-Reaktionssystems in einenkommerziellen CFD-Code vorgestellt. Die Analyse der geometrischenHerabskalierung zeigt, dass unter Annahme geometrischer Ähnlichkeit Mikrosystemegegenüber Makrosystemen bezüglich ihres hydrodynamischen Verhaltens sowie desSpeziestransports keine Unterscheide aufweisen. Hinsichtlich der thermischenKontrolle steht im Falle einer Herabskalierung einem konstanten Verhalten derKenngröße für die konvektive Wärmeabfuhr ein quadratischer Dämpfungseinfluss derSkalierung auf die reaktive Wärmefreisetzung gegenüber. Mikrofluidische Systemeermöglichen 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 desBerechnungsgebiets stellen. Weiterhin wird dargelegt, dass bei moderatemBerechnungsaufwand gute Übereinstimmungen zwischen experimentellen undnumerischen Resultaten unter Einsatz des im Rahmen der vorliegenden Arbeitentwickelten CFD-Modells zur Abbildung des Villermaux-Dushman-Reaktionssystems erzielt werden können.Im Rahmen der numerischen Untersuchung mikrofluidischer Wärmeübertrager wirdder Einfluss verschiedener Übertragungskonzepte (Kreuzgegenstrom- und reinesKreuzstromkonzept) vorgestellt sowie die spezifischen Vor- und Nachteile dereinzelnen Designs herausgearbeitet.