MaST – Simulation komplexer Mehrphasensysteme

In MaST werden Simulationsverfahren von molekularer bis zur Kontinuumsskala entwickelt und experimentell validiert, um den transkritischen Phasenzerfall zu verstehen. Anwendungen finden sich u. a. in der Brennstoffinjektion in Raketenbrennkammern.

In Brennkammern von Kolbenmotoren und Gasturbinen sowie in Raketenbrennkammern werden Brennstoffe und Oxidator getrennt bei hohem Druck eingedüst und müssen sich vermischen, bevor die Verbrennung stattfinden kann. In vielen Prozessen der Verfahrenstechnik ist ebenfalls eine Eindüsung von Mehrkomponentensystemen entscheidend für den Erfolg der Prozesse. Die Bildung von Phasengrenzflächen, beispielsweise von inhomogenen Flüssig-Gas-Systemen mit Blasen oder Tröpfchen, ist hierbei ein komplexes Phänomen, welches mit Hilfe von Experimenten nur auf groben Skalen zugänglich ist. Die numerische Simulation bietet auf verschiedensten Skalen virtuellen Zugang zur Erforschung dieser Systeme, zum Beispiel mittels Molekulardynamik-Simulation (MD), Dichtefunktionaltheorie (DFT), numerischer Strömungsmechanik (CFD=Computational Fluid Dynamics) oder hybrider Mehrskalenverfahren, welche verschiedene der zuvor genannten Ansätze kombinieren. Jedoch sind Simulationsansätze für derartige thermodynamische Systeme sehr rechenintensiv, so dass hocheffiziente Implementierungen und der Einsatz von Hochleistungsrechensystemen wie Supercomputer notwendig sind.

Ziel des Projekts MaST ist die Erforschung von Flüssig-Gas-Systemen unter Hochdruck. Hierzu soll in einem interdisziplinären Konsortium, bestehend aus Experten der Thermodynamik, des wissenschaftlichen Rechnens und des Hochleistungsrechnens, insbesondere Simulationstechnologie, aufbauend auf MD, DFT und CFD, entwickelt und mit Experimenten in einer Hochdruckkammer validiert und verglichen werden. Daneben sollen zudem Mehrskalensimulationen entwickelt werden, beispielsweise neuartige Molekular-Kontinuumsverfahren für Mehrkomponentensysteme, die feinskalige Einblicke in das System auf molekularer Ebene gewähren, aber auf Grund der Verbindung mit Kontinuumsverfahren potenziell gröbere Längen- bzw. Zeitskalen simulieren können.

Projektlaufzeit: 01.06.2021 bis 31.12.2024

^{Titelbild: © Matthias Heinen, TU Berlin}