Entwicklung von Gemischmodellen und einer neuen Form empirischer Fundamentalgleichungen mit Hilfe molekularer Simulation und hybrider Datensätze

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Roland Span; Professor Dr.-Ing. Jadran Vrabec
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423269802

Für die genaue Beschreibung von Zustandsgrößen gut vermessener Gemische werden heute vielparametrige empirische Modelle auf Basis der Helmholtz-Energie verwendet. Modelle dieses Typs stoßen aber an Grenzen, wenn Vielkomponentengemische beschrieben werden sollen, in denen relevante binäre Subsysteme nicht bzw. sehr schlecht vermessen sind. Die auftretenden Probleme beruhen zum einen auf dem zugrunde liegenden "Multi Fluid Corresponding States"-Ansatz, zum anderen auf Eigenschaften der Zustandsgleichungen, die für die Beschreibung der reinen Komponenten verwendet werden. Theoretisch ist klar, dass Wechselwirkungen zwischen ungleichen Mischungspartnern nicht mit Ähnlichkeitsansätzen beschrieben werden können. Vielmehr leisten verschiedene Eigenschaften auf molekularer Ebene Beiträge zur gesamten Wechselwirkung. Diese Beiträge lassen sich anhand von experimentellen Daten für reale Fluide kaum separieren. Hier bietet die molekulare Simulation wesentliche Vorteile; molekulare Parameter können unabhängig voneinander systematisch variiert werden. Mit dem Verfahren von Lustig ist es möglich, direkt Aussagen über den Einfluss molekularer Parameter auf die Helmholtz-Energie und ihre Ableitungen zu machen. Auf dieser Basis können funktionale Formen für vielparametrige empirische Zustandsgleichungen entwickelt werden, die den Einfluss molekularer Parameter wiederspiegeln. Um hohe Genauigkeiten zu realisieren, soll die Anpassung der endgültigen Gleichungen unter Verwendung hybrider Datensätze (also unter Berücksichtigung von experimentellen und Simulationsdaten) erfolgen. Auf Basis des beschriebenen neuen Typs von vielparametrigen empirischen Zustandsgleichungen lassen sich Modelle für Mischungen entwickeln, in denen Wechselwirkungen mit Hilfe der Beiträge beschrieben werden, die aus der Kombination der unterschiedlichen molekularen Eigenschaften resultieren. Gelingt es, den Ansatz von Lustig auf die molekulare Simulation von Gemischen zu übertragen, können direkt Einflüsse von molekularen Wechselwirkungen auf Ableitungen der Helmholtz-Energie untersucht werden. Damit stände eine Basis für die Entwicklung von molekular begründeten Mischungsregeln für vielparametrige empirische Zustandsgleichungen zur Verfügung. Zur Erreichung hoher Genauigkeit wird auch für Gemische eine Anpassung von (wenigen) Mischungsparametern an hybride Datensätze notwendig sein. Schlecht oder gar nicht vermessene Subsysteme können aber allein auf Basis von molekularen Parametern oder von Simulationsdaten korrekt (wenn auch weniger genau) beschrieben werden. Ziel des beantragten Vorhabens ist es, auf Basis von Ergebnissen umfangreicher und neuartiger molekularer Simulationen und unter Nutzung hybrider Datensätze eine neue Generation von genauen (semi-)empirischen Stoffdatenmodellen zu entwickeln, die den bestehenden Modellen in Bezug auf die Beschreibung von schlecht vermessenen Stoffen und vielparametrigen Gemischen mit schlecht vermessenen binären Subsystemen deutlich überlegen sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Dr.-Ing. Monika Thol, Ph.D.