Das numerische Strömungsmechanik Modell (CFD-Code) FLUENT (Ansys Inc., Canonsburg, PA,USA), zusammen mit dem dynamischen Partikelmodel FPM (Fine Particle Model, ParticleDynamics GmbH, Leipzig) wird dazu verwendet, die gekoppelten Prozesse derStrömungsmechanik, Energie/Massentransfer und Partikel/Tropfendynamik in verschiedenenkleinskaligen zu beschreiben. Dabei löst das kommerziell erhältliche FLUENT Model, dass zu denführenden CFD-Modellen gehört, die Gleichungen der Strömungsmechanik, während das FPM dieGleichungen der Partikeldynamik bearbeitet. Das FPM besitzt ein eigenes graphisches Interface(GUI) und ist voll in FLUENT integriert. Das bedeutet, dass Energie und Massentransfer zwischenden verschiedenen Phasen in den Berechnungen berücksichtigt werden.

Die numerischen Simulation dienen zur Auslegung der experimentellen Aufbauten, zur Planungvon Experimenten mit den entsprechenden Eingangs- und Randparametern (z.B.Wandtemperaturen, Flüsse), zur Interpretation der experimentellen Daten, und zur Paremetrisierungvon Mikrophysikalischen Prozessen und/oder Material/Partikeleigenschaften. SpezifischeAnwendungen sind zum Beispiel Simulationen des laminaren Strömungsrohres LACIS (link), derCLOUD Kammer am Cern (Schweiz), oder verschiedener Aerosol-Einlasssysteme (Flugzeug,Aerosol-Massensprektrometer).

Fig. 1: Graphische Benutzeroberfläche des Fluent-Models mit einer 3-dimensionalen Simulation des laminaren Flusses im Rohr von LACIS

Fig. 2: Das berechnete Flussfeld in der CERN-CLOUD Kammer.

CLOUD:

FLUENT/FPM Simulationen wurden dazu benutzt, um den Mischungszustand der CLOUDKammer zu untersuchen (26m³ Wolkentank am CERN, link). Die Simulationen beeinhalteten auchdie Berechnung des H2SO4 Kreislaufes, der Partikelnukleation und des Partikelwachstums. DieBerechnungen haben gezeigt, dass die Kammer mit 2 Mischungsventilatoren gut durchmischt wird.

LACIS:

FLUENT/FPM Simulationen werden fortlaufend durchgeführt und dazu benutzt, das Strömungsfeldund die thermodynamischen Bedingungen in LACIS (Link) theoretisch zu beschreiben. DieSimulationen beeinhalten auch die Berechnung der Partikel-/Tropfendynamik und erlaubenzusammen mit den experimentellen Daten die Bestimmung von Material-/Partikeleigenschaftenund/oder dynamischen Partikel-/Tropfenwachstumsparametern (z.B., Bestimmung des Wasser-Akkommodationskoeffizienten, oder die Bestimmung von dynamischen Partikelformfaktoren,Dampfdrücken, oder Diffusionskoeffizienten). Die Simulationen werden aber auch dazu benutzt,um die experimentellen Daten zu interpretieren und Parametrisierungen (z.B. zur Beschreibung derheterogenen Eisnukleation) zu entwickeln und zu testen.

Referenzen:

  • S. Hartmann, D. Niedermeier, J. Voigtländer, T. Clauss, R.A. Shaw, H. Wex, A. Kiselev, P. Stratmann, Homogeneous and heterogeneous ice nucleation at LACIS: operating principle and theoretical studies, Atmos. Chem. Phys., 11, 1753-1767, 2011.
  • E. Herrmann, H. Lihavainen, A.P. Hyvarinen, I. Riipinen, M. Wilck, F. Stratmann, M. Kulmala: Nucleation simulations using the fluid dynamics software FLUENT with the fine particle model FPM, J. Phys. Chem A, 110(45), 12448-12455, doi: 10.1021/jp064604m, 2006.
  • D. Niedermeier, S. Hartmann, R. A. Shaw, D. Covert, T. F. Mentel, J. Schneider, L. Poulain, P. Reitz, C. Spindler, T. Clauss, A. Kiselev, E. Hallbauer, H. Wex, K. Mildenberger, F. Stratmann, Heterogeneous freezing of droplets with immersed mineral dust particles - measurements and parameterization, Atmos. Chem. Phys., 10 (8), 3601-3614, 2010.
  • M. Schütze and F. Stratmann: Numerical simulation of cloud droplet formation in a tank, Comput. Geosci., 34(9), 1034-1043, doi: 10.1016/j.cageo.2007.06.013, 2008.
  • F. Stratmann, A. Kiselev, S. Wurzler, M. Wendisch, J. Heintzenberg, R.J. Charlson, K. Diehl, H. Wex, S. Schmidt: Laboratory studies and numerical simulations of cloud droplet formation under realistic supersaturation conditions, J. Atmos. Oceanic Technol., 21 (6), 876-887, 2004.
  • F. Stratmann, E. Herrmann, T. Petaja, M. Kulmala: Modelling Ag-particle activation and growth in a TSI WCPC model 3785, Atmos. Meas. Tech., 3(1), 293-281, 2010.
  • J. Voigtländer, F. Stratmann, D. Niedermeier, H. Wex, A. Kiselev: Mass accommodation coefficient of water: A combined computational fluid dynamics and experimental data analysis, J. Geophys. Res., 112, D20208, doi:10.1029/2007JD008604, 2007.
  • J. Voigtländer: Hygroscopic growth and CCN activation of slightly soluble organic and inorganic compounds : evaluation of experimental LACIS data with FLUENT/FPM, Ph.D. Thesis, University Leipzig, d-nb.info/1000773639, 2010.
  • J. Voigtländer, J. Duplissy, L. Rondo, A. Kürten, F. Stratmann: Numerical simulations of mixing conditions and aerosol dynamics in the CERN CLOUD chamber, Atmos. Chem. Phys., 12, 2205-2214, doi: 10.5194/acp-12-2205-2012, 2012.