Gastransport

Modellansatz

In dieser Folge spricht Gudrun mit Larissa Dietz und Jonathan Jeppener. Beide sind im Masterstudiengang Verfahrenstechnik am KIT eingeschrieben und haben 2019 das Projektorientierte Softwarepraktikum in Gudruns Arbeitsgruppe absolviert. Das Gespräch dreht sich um ihre Erfahrungen in dieser Lehrveranstaltung.

Das Praktikum wurde 2010 als forschungsnaher Lernort konzipiert. Studierende unterschiedlicher Studiengänge arbeiten dort ein Semester lang an konkreten Strömungssimulationen. Es wird regelmäßig im Sommersemester angeboten. Seit 2014 liegt als Programmiersprache die Open Source Software OpenLB zugrunde, die ständig u.a. in der Karlsruher Lattice Boltzmann Research Group (LBRG) weiter entwickelt wird. Außerdem wird das Praktikum seit 2012 vom Land Baden-Württemberg gefördert als eine Möglichkeit für Studierende, sich im Studium schon an Forschung zu beteiligen.

Konkret läuft das Praktikum etwa folgendermaßen ab:
Die Studierenden erhalten eine theoretische Einführung in Strömungsmodelle und die Idee von Lattice-Boltzmann-Methoden und finden sich für ein einführendes kleines Projekt in Zweiergruppen zusammen. Anschließend wählen sie aus einem Katalog eine Frage aus, die sie bis zum Ende des Semesters mit Hilfe von Computersimulationen gemeinsam beantworten. Diese Fragen sind Teile von Forschungsthemen der Gruppe, z.B. aus Promotionsprojekten oder Drittmittelforschung. Während der Projektphase werden die Studierenden von dem Doktoranden/der Doktorandin der Gruppe, die die jeweilige Frage gestellt haben, betreut. Am Ende des Semesters werden die Ergebnisse in Vorträgen vorgestellt und diskutiert. Hier ist die ganze Arbeitsgruppe beteiligt. In einer Ausarbeitung werden außerdem die Modellbildung, die Umsetzung in OpenLB und die konkreten Simulationsergebnisse ausführlich dargelegt und in den aktuellen Forschungsstand eingeordnet. Diese Ausarbeitung wird benotet. Die Veranstaltung wird mit 4 ECTS angerechnet.

Das Projekt von Larissa und Jonathan betrachtete den Stofftransport von CO2-Gas in flachen Photobioreaktoren. Mit ihrer großen Oberfläche erlauben sie viel einfallendes Licht. Algenzucht im industriellen Maßstab ist unerlässlich, um die weltweite Nachfrage nach schnell nachwachsender Nahrung und erneuerbaren Energiequellen zu befriedigen. Derzeit nutzen die meisten Produzenten kosteneffiziente und einfach zu bedienende offene Teiche. Die Nachfrage nach gut steuerbaren geschlossenen Photobioreaktoren steigt durch die erhöhte Effizienz der gut einstellbaren Reaktorbedingungen. Weitere Vorteile gegenüber offenen Reaktoren sind ein geringerer CO2- und Wasserverlust und eine größere Vielfalt an kultivierbaren Arten. Für ein optimales Algenwachstum müssen die regulierende Flüssigkeitsdynamik, der Lichttransfer, biochemische Reaktionen und deren gegenseitige Wechselwirkung optimiert werden. Die Untersuchung dieser Parameter mit Hilfe gekoppelter numerischer Simulationen vermeidet teure Experimente und trägt somit zur Verbesserung geschlossener Photobioreaktoren bei.

Larissa und Jonathan beschränkten sich für ihr Projekt auf die Modellierung des Stofftransports aller Komponenten und den Lichteinfall. Konkret ergeben sich dabei eine Advektions-Diffusions-Gleichung für den Gastransport und die Navier-Stokes Gleichungen für das Fluid. Die Photosynthese für CO2-Umsatz wurde daran als Quelle gekoppelt.

Aufgrund der hohen Parallelisierbarkeit und der Einfachheit der Berechnungsgitterkopplungen ist die Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) geeignet, dieses System von interagierenden Differentialgleichungen zu lösen, die Fluidströmung, Stofftransport und Strahlungsfeld beschreiben. Der Bericht von Larissa und Jonathan schlägt stabile Diffusionsparameter und eine Betriebslichtkopplung vor, die sie in ihrer Projektarbeit ermittelt haben. Der von ihnen betrachtete Testfall basiert auf der Simulation der Partikelströmung durch Trunk et al. (Quelle unten). Die beiden mussten außerdem geeignete Randbedingungen finden.

Die von ihnen gefundenen Simulationsparameter gewährleisten eine stabile Simulation.

Literatur und weiterführende Informationen

• E. Sierra e.a.: Characterization of a flat plate photobioreactor for the production of microalgae. Chemical Engineering Journal, 138:136–147, 03 2008.
• R. Trunk e.a.: Inertial dilute particulate fluid flow simulations with an euler–euler lattice boltzmann method. Journal of Computational Science, 17:438–445, 2016.
• T. Krüger e.a.: The Lattice Boltzmann Method. Graduate Texts in Physics. Springer, 2017.
• C. Posten and R. Rosello-Sastre: Microalgae Reactors. American Cancer Society, 2011.
• L. Dietz und J. Jeppener: Simulation of CO2 Distribution in Photobioreactors with the Lattice Boltzmann Method, Ausarbeitung Softwarepraktikum 2019.
• M.J. Krause e.a.: OpenLB Release 1.3: Open Source Lattice Boltzmann Code.

Podcasts

• J. Kolbe, G. Thäter: Photobioreaktoren - Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 065, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT) 2015.