Open-Source multi-scale modelling and simulation of photoactivated processes: From solar radiation to mechanistic modelling

Abstract

Vivimos en la carrera de la transición verde y digital, y preparar herramientas de simulación y modelado multifísico eficientes y completas puede acortar el lapso de tiempo de los nuevos desarrollos, desde la investigación hasta su aplicación en la industria y la vida diaria. Entre estos nuevos desarrollos, los procesos fotoactivados destacan debido a los desafíos que plantea su simulación computacional y a su amplio rango de aplicaciones, desde el tratamiento de agua hasta la producción de energía. Su característica común es que el mecanismo de reacción del proceso se desencadena por la absorción de fotones. Esta característica requiere la simulación de al menos tres fenómenos físico-químicos: la dinámica de fluidos, el transporte de radiación y el transporte y reacción de compuestos químicos. Aunque existen numerosos paquetes de software para la simulación numérica, originalmente diseñados para aplicaciones de dinámica de fluidos computacional y equipados con todos los modelos optimizados necesarios, los modelos de simulación de transporte de radiación están predominantemente enfocados en simulaciones de transferencia de calor, donde generalmente se requiere una menor precisión. Esto a menudo resulta en una simplificación de la modelización del transporte de radiación para reducir los costes computacionales. En consecuencia, los modelos de radiación de alta fidelidad son escasos en el software de código abierto e, incluso en el software propietario que proporciona dichos modelos, el tiempo computacional requerido para lograr alta precisión se convierte en un cuello de botella significativo en la simulación multifísica de alta fidelidad de procesos fotoactivados. Dentro del ámbito de la simulación multifísica, el software existente carece de características para definir reacciones fotoactivadas, lo que lleva a la necesidad de programarlos el usuario. Esta limitación restringe el acceso a estas herramientas a numerosos los investigadores del área de química e ingeniería química. Aunque el software de dinámica de fluidos computacional abarca numerosas excepciones y configuraciones especiales más allá de los escenarios estándar de paredes estáticas y flujo turbulento o laminar, generalmente están limitados a una estrecha gama de modelos cinéticos y condiciones de contorno disponibles. Por un lado, los modelos de alta fidelidad basados en leyes físico-químicas permiten la extrapolación y predicción más allá del rango de datos experimentales, lo que los hace potencialmente claves en los procesos de toma de decisiones. Facilitan la simulación y evaluación de diferentes propuestas, permitiendo optimizar y priorizar de recursos. Por otro lado, rara vez pueden aplicarse soluciones analíticas a las ecuaciones diferenciales que rigen cada fenómeno. Necesitan métodos como Volumenes Finitos (FV) o Elementos Finitos (FE) para aproximar las soluciones, lo que conlleva largos tiempos de simulación.