Diffusionsprozesse

Die meisten technischen Anwendungen, bei denen CFD-Methoden Anwendung finden, sind geprägt von konvektiven Transportvorgängen. Häufig sind diese so schnell, dass starke Turbulenzen auftreten, mitunter sogar im Überschallbereich.

Bei Vorgängen die dagegen nur sehr langsam ablaufen gewinnt ein anderer Transportvorgang immer mehr an Bedeutung je geringer die Geschwindigkeit wird: die Diffusion. Auch solche Prozesse können mittels CFD simuliert werden.

Ein Maß für die Relevanz von Diffusion ist der Diffusionskoeffizient. Je größer dieser ist, desto wichtiger wird die Betrachtung solcher Vorgänge.

Der Stoff, bei dem die Berücksichtigung der Diffusion zuallererst diskutiert werden muss, ist Wasserstoff. Bedingt durch seine geringe Molekülgröße besitzt er den mit Abstand höchsten Diffusionskoeffizienten. Da die Bedeutung von Wasserstoff in den letzten Jahren stark zugenommen hat (u. a. im Automobilbau oder der Energiewirtschaft) werden diese Vorgänge in der CFD Schuck Ingenieurgesellschaft verstärkt modelliert.

Als Beispiel für die Notwendigkeit der Betrachtung von Diffusion soll an dieser Stelle ein vereinfachter sich drehender Ofen vorgestellt werden.
Im Innern herrscht eine Wasserstoffatmosphäre in die Wasserdampf einströmt. Die Vermischung der beiden Stoffkomponenten Wasserdampf und Wasserstoff wird durch die Diffusion insbesondere in radialer Richtung verstärkt. Die Homogenisierung des Gemischs würde bei alleiniger Berücksichtigung der Konvektion (unter Vernachlässigung von Diffusionseffekten) unterschätzt werden. Sollen dazu noch chemische Reaktionen betrachtet werden, bei denen die lokale Gaskonzentration Einfluss auf die Reaktionskinetik hat, so können diese ohne die Berechnung von Diffusion nicht mehr zufriedenstellend genau bestimmt werden.