Mehrphasenmodellen

MehrphasenModellen sind mathematische Modelle, die Systeme mit mehr als einer Phase beschreiben, wie Gas- und Flüssigkeitsphasen oder Feststoffe in Suspension. Sie ermöglichen die Beschreibung von Mischungen, Grenzflächen und Transportprozessen und liefern Vorhersagen zum Verhalten solcher Systeme.

Zu den gängigsten Ansätzen zählen Euler-Euler-Modelle, in denen jede Phase als eigener Kontinuum geführt wird und Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie miteinander verknüpft sind; Euler-Lagrange-Modelle, bei denen der Fluidteil als Kontinuum geführt wird, während feste Partikel oder Tropfen separat verfolgt werden; Mischungsmodelle, die eine gemeinsame Strömungsgeschwindigkeit verwenden; sowie Phase-Field- oder Diffuse-Interface-Modelle, die Phasenübergänge durch ein Phasenfeldmodell beschreiben.

Gegenstand der Modelle sind Erhaltungsgleichungen für jede Phase, ergänzt durch Quellterme für Phasenwechsel, Reibung (Drag), Wärme- und Stoffaustausch sowie, falls vorhanden, Turbulenzmodelle. Die Modelle benötigen Closure-Beziehungen, um unbekannte Größen wie Kopplungskräfte, Mischbedingungen oder Oberflächenspannung zu bestimmen.

Anwendungsgebiete reichen von der chemischen Verfahrenstechnik (Gas–Flüssig–Fest-Systeme, Reaktoranwendungen), Öl- und Gasförderung (Mehrphasenströme in Rohrleitungen) über Umwelt- und Geowissenschaften (Sedimentation, Kontaminationsausbreitung) bis hin zu Energiesystemen, Batteriechemie sowie Materialprozessen mit Phasenwechsel.

Herausforderungen umfassen Validierung gegen Experimente, Unsicherheiten in Parameterabschätzungen, numerische Stabilität und Rechenaufwand, sowie Skalierungsprobleme von Labormodellen zu praxisnahen Systemen. Die Weiterentwicklung zielt auf verbesserte Closure-Gleichungen, effizientere Numerik und bessere Datenintegration ab.