Agglomeration und Clusterbildung von mikroskaligen Partikeln und Tröpfchen in hochbeladenen turbulenten Gasströmungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Breuer
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 215541820

Das Ziel des Projekts ist die Modellierung, Simulation und Analyse des dynamischen Agglomerationsprozesses in turbulenten, hochbeladenen dispersen Mehrphasenströmungen. In der ersten Phase wurden auf der Basis eines Vierwege-Euler-Lagrange-Ansatzes basierend auf der LES-Technik zur Beschreibung komplexer turbulenter Strömungen undeinem Simultaneous Particle Tracking-Verfahren für die disperse Phase signifikante Fortschritte erzielt. Aufbauend auf einer deterministischen Behandlung der Partikel-Partikel-Kollisionen wurden zwei neue Agglomerationsmodelle und ein Wandadhäsionsmodell entwickelt, anhand unterschiedlichster Testfälle und für einen weiten Parameterbereich validiert und zur Untersuchung der Agglomeration in turbulenten Strömungen bei hohen Massenbeladungen erfolgreich eingesetzt. Dadurch konnten neue Erkenntnisse über die physikalischen Zusammenhänge bei der Agglomeration von Partikeln und deren wichtigsten Einflussgrößen sowie der Rückwirkung der Agglomerate auf das turbulente Strömungsfeld gewonnen werden.Das Ziel der zweiten Phase ist es nun, den Bruch von Agglomeraten mit zu berücksichtigen, ein Vorgang der bisher vereinfachend ausgeklammert wurde, für die Beschreibung des vollständigen Prozesses aber eine wichtige Rolle spielt. In technischen Anwendungen ergibt sich das Wachstum von Agglomeraten aus dem Wechselspiel von Agglomeration und Bruch der Agglomerate, woraus die charakteristische Partikelgrößenverteilung resultiert, die wiederum maßgeblich wichtige Prozesse wie die Separierung z.B. in Filtern oder Zyklonen, die Dosierung bei pharmazeutischen Produkten oder die Reaktionsraten in chemischen Reaktoren bestimmt. Daher ist die Beschreibung beider Phänomene für die realitätsnahe Simulation hochbeladener, turbulenter Zweiphasenströmungen unumgänglich.Von den drei wichtigsten Bruchmechanismen wird dem Bruch durch die auf das Agglomerat wirkenden Fluidkräfte (FK-Bruch) die meiste Aufmerksamkeit geschenkt. Abweichend vom Literaturstand (Bruch von masselosen und lediglich kleinen Agglomeraten, DNS sowie meist hom. isotr. Turbul.) soll der fluid-induzierte Bruch von massebehafteten Agglomeraten bei klarer Unterscheidung zwischen kleinen Agglomeraten (d < Kolmogorov-Länge l_k), welche aufgrund von viskosen Kräften brechen, und großen Agglomeraten (d > l_k), bei denen die Trägheitskräfte für einen möglichen Bruch verantwortlich sind, modelliert und später analysiert werden. Dabei stehen aufgrund ihrer Praxisrelevanz wandgebundene Scherströmungen im Fokus. Neben der Entwicklung eines modernen, tragfähigen Simulationskonzepts besteht das Ziel darin, das physikalische Verständnis für die Bildung und den ev. anschließenden Bruch von Agglomeraten zu verbessern. Neben dem FK-Bruch sollen die Bruchszenarien durch Partikel-Wand- und Partikel-Partikel-Kollisionen in die Modellierung, Simulation und Analyse einbezogen werden. Am Ende soll ein Gesamtkonzept für praxisrelevante Anwendungsfälle stehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen