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Simulation of interacting populations in inhomogeneous flows using reduced models

Autor :Ahmet Alper Öncül
Herkunft :OvGU Magdeburg, Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik
Datum :13.12.2010
 
Dokumente :
Dataobject from HALCoRe_document_00009490
 
Typ :Dissertation
Format :Text
Kurzfassung :Heutzutage hat die numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) eine große Bedeutung in vielen Anwendungen des Ingenieurwesens erlangt. Denn die anspruchsvollen numerischen Techniken, die bei den CFD-Simulationen verwendet werden, sind in der Lage, äußerst realistische Schätzungen von Strömungsvorgängen zu liefern. Diese Schätzungen können zwar nicht unbedingt experimentelle Messungen ersetzen. Sie können aber durchaus als Voraussage oder Ergänzung von Messungen für eine verfeinerte Analyse verwendet werden. Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung inhomogener Strömungen mit Hilfe von CFD, gekoppelt mit Populationsbilanzmodellen (PBM), welche durch benutzerdefinierte Skalare (UDS) und Funktionen (UDF) implementiert wurden. Der erste Teil dieser Arbeit konzentrierte sich auf die Verwendung verschiedener PBM in CFD-Berechnungen. Die anfänglichen Untersuchungen betrachteten folgende Anwendungen der Verfahrenstechnik: Fällung von BaSO4 in wässriger Lösung (bzw. in Mikroemulsion) und bevorzugte Kristallisation von Threonin-Enantiomeren in einem kontinuierlichen Rührkessel. Verschiedene numerische Methoden und Modelle (wie z.B. Eulersche Methode, Turbulenzmodell…) wurden während dieser anfänglichen Untersuchungen geprüft. Für die Beschreibung der Impellerrotation wurde die Bewegte-Gitter-Technik (stationäre Formulierung, Multiple Reference Frames - MRF) für eine erste Schätzung und eine instationäre Formulierung (Sliding Mesh Model - SMM) für realistischere Schätzungen verwendet. Außerdem wurden verschiedene hydrodynamische sowie Anfangsbedingungen bei den Berechnungen untersucht. Die Gültigkeit der verwendeten numerischen Methoden wurde soweit möglich größtenteils mittels experimenteller Daten, ansonsten anhand analytischer Lösung geprüft. Alle numerischen Erfahrungen dieser Untersuchungen wurden anschließend auf komplexere Fälle übertragen. Der wichtigste Teil dieser Arbeit betraf eine biotechnologische Anwendung: die Kultivierung adhärenter tierischer Zellen auf Mikroträgern in Wave-Einwegbioreaktoren (kommerzielle Bezeichnung: Wave Bioreactor®) in 2 L und 20 L Beuteln. Zuerst wurden Messungen ausgeführt, um die Fließbedingungen der Flüssigkeit zu charakterisieren. Für diesen Zweck wurden Schlüsselmerkmale wie Flüssigkeitspegel, Geschwindigkeit und Schubspannung gemessen. Die Messungen stellten insbesondere niedrige Schubspannungswerte in den Wave-Bioreaktoren im Vergleich zu klassischen Bioreaktoren wie zum Beispiel Rührkesseln fest. Hiermit wurden günstige hydrodynamische Bedingungen für die Zellkultivierung gezeigt. Danach wurden die Fließbedingungen in den verwendeten Beuteln in einer ausführlicheren Analyse mittels CFD-Simulationen numerisch charakterisiert. Wegen der komplexen Form der flexiblen Beutel wurde die Geometrie mittels einer Lasermesstechnik realistisch rekonstruiert, wobei die Flächen des Bioreaktors unter Betriebsbedingungen anhand eines Lasers gescannt wurden. Die instationären, drei-dimensionalen Berechnungen verwendeten die Volume-of-Fluid (VOF) Methode, ein eulersches Mehrphasenmodell, das für die genaue Beschreibung einer freien Flüssigkeitsoberfläche geeignet ist. Damit konnte die Grenze zwischen Flüssigkeits- und Gasphase verfolgt werden, allerdings mit einer höheren Rechenzeit. Die numerischen Ergebnisse für die Fließbedingungen in den Beuteln wurden anhand vorliegender experimenteller Resultate validiert. Niedrige Schubspannungswerte wurden durch die Simulationen bestätigt. Außerdem wurde festgestellt, dass die berechneten Strömungen unter entsprechenden Betriebsbedingungen laminar bleiben. Hiermit wurden günstige Kultivierungsbedingungen und niedrige Zellschäden bestätigt. Letztendlich wurden Simulationen der Zellkultivierung durchgeführt, wobei CFD mit zwei Populationen (Zellen in der Suspension und auf den Mikroträgern, mit Wechselwirkung) verwendet wurde. Wegen der numerischen Komplexität wurden diese Simulationen für homogene Bedingungen durchgeführt, wobei die maximalen Schubspannungswerte der vollständigen CFD berücksichtigt wurden.
Schlagwörter :CFD, inhomogene Strömungen, Populationsbilanzmodel, numerische Simulation, Fällung, Kristallisation, Kultivierung, Mikroemulsion
Rechte :Dieser Text ist urheberrechtlich geschützt
Größe :XI, 124 S.
 
Erstellt am :20.12.2010 - 14:41:01
Letzte Änderung :20.12.2010 - 14:41:45
MyCoRe ID :HALCoRe_document_00009490
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