Buborékdinamika a hidrogéngyártásban: energetikai hatékonyság numerikus optimalizációja
A szonokémia azzal foglalkozik, hogy kémiai reakciókat néhány mikron átmérőjű akusztikusan gerjesztett buborékok belsejében hozzon létre. A buborékok periodikusan tágulnak, majd hirtelen összeroppannak, miközben a nyomás több száz bart, a hőmérséklet több ezer Kelvint is elérhet, ideális környezetet biztosítva bizonyos kémiai reakcióknak. Alternatív megközelítésként az egyensúlyi buboréksugárról indított periodikus ultrahangos gerjesztés helyett használható egy jelentősen kitágított buborék szabadlengése, mely időben lecsengő rezgést eredményez, és csak egy vagy néhány jelentős összeroppanást hoz létre.
Jelen dolgozat célja a modell energia hatékonyságra történő optimalizálásának bemutatása, egy egyszerű példán, a hidrogén gyártásán keresztül. A kezdeti buborék valamilyen nemesgázból és vízgőzből áll, a hidrogén a víz disszociációja során jön létre. Az optimalizálás során nemcsak az egyensúlyi buborékméretet és a tágítás mértékét hangolom, hanem az irodalomban gyakran konstansnak tekintett paramétereket is állítok, úgy, mint a környezeti nyomás és hőmérséklet, illetve vizsgálom a használt nemesgáz típusát, és a felületi feszültség szurfaktánssal történő módosítását is. A sokdimenziós paramétertér bejárásához kisebb felbontás esetén is több milliószor le kell futtatni a szimulációt, ez pedig rendkívül időigényes. A programokat Pythonban készítettem, a gyorsításhoz Just-In-Time (JIT) fordítót, és párhuzamosítást alkalmaztam. A dolgozatban a paramétertér teljes bejárásán kívül bemutatok más, kevésbé számításigényes globális optimalizációs stratégiákat is.
Az itt bemutatott modell egyetlen, gömb alakúnak feltételezett buborékot tartalmaz, aminek belseje homogén, így egy közönséges differenciálegyenlet rendszerrel modellezhető. A buborék radiális dinamikáját a Keller-Miksis egyenlet írja le, ami mereven viselkedhet, nehezítve a numerikus megoldást. A reakciómechanizmus 11 különböző anyagot, és 29 reakciót tartalmaz, az egyenletekben szereplő közel 400 együttható az elérhető legfrissebb forrásokra támaszkodik.
szerző
-
Kozák Áron
Mechatronikai mérnöki alapszak (BSc)
alapképzés (BA/BSc)
konzulensek
-
Dr. Hegedűs Ferenc
Docens, Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék -
Kalmár Csanád
doktorandusz, Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék
