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Turbulent Multiphase Flows with Heat and Mass Transfer

Autor: Borghi, Roland; Anselmet, Fabien

Zu den Kunden unseres Ingenieurbüros sage ich gerne den Satz „Wir fangen dort an, wo der VDI-Wärmeatlas aufhört“. Das Buch „Turbulent Multiphase Flows with Heat and Mass Exchange“ von Prof. Roland Borghi und Prof. Fabien Anselmet von der Ecole Centrale in Marseille (Frankreich) zeigt dagegen auf, wo auch für uns die Komfortzone zu Ende ist: die kombinierte Modellierung von Turbulenz, Mehrphasenströmung, Stoff- und Wärmeübertragung gehört sicherlich zu den komplexesten Themen, die ein „Simulant“ bearbeiten kann. Jedes Thema für sich füllt bei uns schon mehrere Meter Bücherregal – die Kombination macht es natürlich besonders spannend.

Turbulent Multiphase Flows with Heat and Mass Transfer erklärt auf rund 450 Seiten in einer erstaunlichen Tiefe und Präzision viele verschiedene, teilweise aufeinander aufbauende Ansätze zur sinnvollen und zielführenden Beschreibung von (turbulenter) Mehrphasenströmung mit Stoff- und Wärmeübertragung. Dabei wird einerseits die „klassische“ Mehrphasenströmung abgedeckt, aber auch die partikelbeladene Strömung (Feststoff in Strömung) und die Strömung von Tropfen, die z.B. bei der Abgasreinigung oder der Verbrennungsrechnung von elementarer Bedeutung ist.

Die ersten vier Kapitel des Buches beschreiben – wie in solchen Büchern üblich – die Grundgleichungen, die erforderlich sind. Dabei wird unterschieden in „Piecewise Continuous Medium“ (diese Beschreibung ist dann sinnvoll, wenn eine Phase noch kontinuierlich vorliegt und die andere Phase in geringerer Konzentration vorliegt, also z.B. Staubpartikel in Gas) und in „Mean Multiphase Medium“ (dieser Ansatz ist sinnvoll, wenn die Mehrphasenströmung statistisch in eine Einphasenströmung umgerechnet werden kann und soll). Die Autoren geben dem Leser Auch Kriterien an die Hand, worauf insbesondere beim „Mean Multiphase Medium“ zu achten ist und wie die Mittelung sinnvollerweise zu erfolgen hat.

Teil 2 des Buches – die Kapitel 5 bis 11 – beschäftigt sich mit verschiedenen Teilmodellen, die zur korrekten Beschreibung des Gesamtsystems erforderlich sind. Kapitel 5 beispielsweise erklärt anhand vieler Unterkapitel die Modellierung der Stoff- und Wärmeübertragung an der Grenzfläche von Mehrphasenströmungen. Einerseits wird die Impulsbilanz angewendet, um z.B. die Reibung innerhalb der Strömung oder den Einfluss der Form der Tropfen zu analysieren, anderseits wird z.B. auch ein Modell für die Stoffübertragung und Verdampfung von Tropfen aufgestellt, das bei Wenger Engineering schon von Nutzen war. Kapitel 6 und 8 erklären, wie turbulente Mehrphasenströmung ganz allgemein modelliert werden kann. Dabei wird unterschieden in „global modeling“, „multifluid modeling“ sowie die Large Eddy Simulation für Mehrphasenströmung. In Kapitel 10 werden ergänzend noch zahlreiche experimentelle Methoden vorgestellt, die sich zur Charakterisierung von Mehrphasenströmungen bewährt haben.
Teil 3 kann als „Modellierung von Wirbelschichten“ bezeichnet werden. Es werden in verschiedenen Unterkapiteln Modellansätze erklärt, wie die Strömung durch eine Schüttung resp. ein Haufwerk modelliert werden kann unter der Randbedingung, dass der Impuls der Strömung die Schüttung beeinflusst (Wirbelschicht / Fluidized Bed).

Teil 4 umfasst die wahrscheinlichkeitstheoretischen Ansätze (PDF-Ansätze). Es werden natürlich die Energie-, Impuls- und Massenbilanzen hergeleitet und aufgestellt, und ein Modell für „Micromixing“ in PDF-Gleichungen wird erklärt. In einem weiteren Teilkapitel werden Temperaturschwankungen in der kondensierten Phase für die PDF-Gleichungen analysiert und erklärt. Das Gleiche gilt auch für Geschwindigkeitsfluktuationen, die ebenfalls als Wahrscheinlichkeitsdichte modelliert werden können.

Insgesamt ist das Buch naturgemäß harte Kost und sicher nur etwas für weit fortgeschrittene Leser. Ohne solide Kenntnisse in Turbulenzmodellierung, Mehrphasenströmung, Stoff- und Wärmeübertragung sowie sehr guten Mathematikkenntnissen ist „Turbulent Multiphase Flows with Heat and Mass Transfer“ nahezu unbrauchbar.

Für Experten jedoch, die sich beruflich mit reaktiver Mehrphasenströmung auseinandersetzen, ist es eines der besten Bücher, die ich kenne. Es ist nicht nur sehr umfangreich, sondern geht auch sehr tief auf die einzelnen Teilgebiete ein. Für Leser, die sich dann noch weiter vertiefen wollen, bieten die Autoren am Ende noch ein zehnseitiges Literaturverzeichnis, das fast ausschließlich auf noch speziellere Literatur verweist. Ich bezweifle zwar, dass diese zehn Seiten das gesamte Wissen sind, auf dem dieses Buch beruht, aber ich verstehe auch wenn die Autoren an irgend einem Punkt auch mal einen Schnitt machen mussten.

Summa summarum bin ich sicher, dass dieses Buch meinem Ingenieurbüro in Zukunft noch gute Dienste erweisen wird!

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