Gastransport

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.