CaRMa Catalyst Research with Mathematics

CaRMa Catalyst Research with Mathematics
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Martin Ullmann , Uwe Prüfert , Michael Eiermann und Christian Hasse
Modellierung von Automobilkatalysatoren
Die Modellierung von Automobilkatalysatoren erfordert die Lösung eines komplexen Systems von zeitabhängigen partiellen Differentialgleichungen
in 1D, 2D und 3D Ortsgebieten, wobei die Skalen von Nano- bis Zentimeter reichen. Damit ist dies ein typisches Multiskalen/Multiphysik Problem.
CaRMa ist ein einfach zu bedienendes Werkzeug für die Modellierung von 3-Wege Automobilkatalysatoren in Forschung und Lehre. Eine modulare
Struktur der Software sorgt für eine einfache Erweiterbarkeit und den leichten Austausch von Submodellen. Dadurch werden Forscher, Lehrende
und Lernende in die Lage versetzt, neue Modelle zum Beispiel für die Abgaskatalyse, die Geometrie des Katalysators oder den Wärmetransport zu
testen. Andererseits können auch Studien zum Verhalten von Katalysatoren bei der Verbrennung von alternativen Brennstoffen durchgeführt
werden. Ein weiteres Feature ist die detaillierte Simulation der Oberflächen- und Gasphasenchemie, Diffusion und des Strömungsfelds.
Warum MATLAB?
Die Anforderungen an die Software hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Flexibilität einserseits und die Forderung Submodelle im Rahmen von
Forschung und Lehre zu entwickeln und zum Teil im Rahmen von Bachelor oder Masterarbeiten zu implementieren zu können erfordert eine
Programmierumgebung, die es erlaubt, leistungsfähige Programme zu erstellen, die aber von der Struktur einfach, modular aufgebaut und sicher
sind, vor allem aber ohne langwierige Einarbeitung adaptiert werden können. Für das Projekt CaRMa ist MATLAB daher die erste Wahl.
MODULARER AUFBAU
IMPLEMENTIERUNG: CARMA&OOPDE
CaRMa besteht aus einer Anzahl von Submodellen. Auf einer Ebene
können diese durch unterschiedlich detailierte Implementierungen
ausgetauscht werden.
Die Submodelle sind im Einzelnen
Der Keramikkörper des Katalysators. Hier wird eine 3DWärmeleitungsgleichung gelöst, wobei die jeweiligen Quellterme
vom Kanal-Submodell bestimmt werden.
Die Kanäle durch den Keramikkörper. Hier wird die Gasströmung
simuliert. Das Poren-Submodell geht als Randbedingung ein.
Das Washcoat-Submodell. Hier wird der Transport der Gase zu
und von der katalytisch wirksamen Oberfläche modelliert.
Die Poren auf der Oberfläche der Kanäle. Hier wird Adsorption und
Desorption sowie die chemische Reaktion zwischen dem Gas und
der katalytisch wirksamen Oberfläche simuliert.
Alle Submodelle sind als Klassen implementiert, die über genau
definierte Schnittstellen komunizieren.
Die Software wurde ausschließlich im MATLAB mittels
objektorientiertem Ansatz implementiert. CaRMa stützt sich dabei
auf eine ebenfalls an der TU Bergakademie Freiberg entwickelte
Klassenbibliothek OOPDE. Erweiterung und Spezialisierung erfolgt
durch Ableiten und Überladen. Eigenschaften von OOPDE
stationäre und transiente PDE in ein bis drei Ortsdimensionen;
Diffusion, Konvektion, Quellen, lineare und nichtlineare Löser;
Dreieck und Parallelogrammgitter, Tetraeder und Prismengitter.
Lineare und bilineare Elemente;
Postprozessing, Schnitte, Niveaumengen;
Einheitliche Schnittstellen für alle Dimensionen, Leicht durch
Ableiten und Überschreiben erweiterbar.
Katalysatorsimulationen
Wie ist das Konvertierungsverhalten eines kommerziell verfügbaren Katalysators im gealterten Zustand
oder bei geänderter Edelmetallbeladung?
Parametrierung des Modells mittels Light-Off Experimenten und Fitting der notwendigen kinetischen
Parameter mittels genetischem Algorithmus;
Simulation von Light-Off Versuchen im frischen und gealterten Zustand;
Alterungszustand und Edelemtallbeladung kann durch jeweils einen globalen Faktor beschrieben
werden;
Abweichungen zwischen Experiment und Simulation sind trotz einfachem Modellaufbau gering.
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CO Konvertierung in einem frischen und gealtertem Katalysator als Funktion der Temperatur.
Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Unterstützung beim Sächsischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst (SMWK), der
Sächsischen Aufbaubank (SAB) sowie bei der Europäischen Union im Rahmen des Projektes „BioRedKat – Verbrennungstechnische Eigenschaften
und deren Auswirkung auf die katalytische Schadstoffreduktion von biogenen flüssigen Energieträgern” (Antragsnummer: 100097882).
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Technische Universität Bergakademie Freiberg
Institut für Energieverfahrenstechning und Chemieingenieurwesen
Lehrstuhl für numerische Thermo-Fluid Dynamik,
Reiche Zeche, Fuchsmühlenweg 9
09599 Freiberg
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Technische Universität Bergakademie Freiberg
Institut für numerische Mathematik und Optimierung
Akademiestraße 6, Mittelbau
D-09599 Freiberg
Ansprechpartner
CaRMa: Martin Ullmann, [email protected]
OOPDE: Uwe Prüfert, [email protected]