Numerische Berechnung des Dispergierens von Partikeln und Blasen in einem Fluidphasenresonanzmischer

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Sommerfeld
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254590687

In Voruntersuchungen konnte gezeigt werden, dass der Fluidphasenresonanzmischer (FPR-Mischer) geeignet ist effektive Mischprozesse zu realisieren. Hierfür wurden sowohl numerische Strömungsberechnungen (mit OpenFOAM) als auch Experimente durchgeführt. Im beantragten Forschungsvorhaben soll die Eignung des FPR-Mischers für Dispergierprozesse (Feststoffpartikel und Blasen) detailliert untersucht werden. Die numerischen Berechnungen sollen mit dem Euler (LES)/Lagrange-Ansatz durchgeführt werden, wozu wiederum OpenFOAM eingesetzt wird.Um allerdings realistische Berechnungen der Dispergierung von Partikeln und Blasen in Flüssigkeiten zu ermöglichen soll zunächst die Dynamik der dispersen Phase unter Berücksichtigung aller relevanten Strömungskräfte analysiert werden. Dazu wird die Bewegungsgleichung erweitert, so dass Widerstand, Schwerkraft/Auftrieb, Druckterm, virtuelle Masse, Basset-Kraft und Auftrieb durch Scherströmung berücksichtigt werden können. Für virtuelle Masse und Basset-Kraft werden sowohl die Beiwerte nach Odar & Hamilton (1964) als auch die kürzlich von Roig & Michaelides (2011) vorgeschlagenen Beiwerte (für die Basset-Kraft in Abhängigkeit der Strouhal-Zahl) verwendet und verglichen. Weiterhin soll die Bedeutung der einzelnen instationären Kräfte durch numerische Berechnungen analysiert und die Ergebnisse mit Messungen im FPR-Mischer verglichen werden. Diese Untersuchungen sollen in Abhängigkeit der Stokes-Zahl (abhängig von Partikel- und Blasengröße, Dichteverhältnis und Pulsationsfrequenz) durchgeführt werden, um damit entsprechende Empfehlungen geben zu können.Mit diesen Entwicklungen sollen dann numerische Berechnungen zur Dispergierung von Partikeln und Blasen im FPR-Mischer durchgeführt werden, um daraus die optimale Geometrie (z.B. Tauchrohrdurchmesser und Bodenabstand) und die besten Betriebsbedingungen (Oszillationsfrequenz) abzuleiten. Das Auslegungsziel ist dabei eine möglichst gleichmäßige Verteilung von Partikeln bzw. Blasen im FPR-Mischer (z.B. Mischgüte). Um diese Betriebszustände zu finden, soll wiederum die Stokes-Zahl der Partikel/Blasen über den relevanten Bereich variiert werden. Des Weiteren soll erstmalig der Einfluss der instationären Kräfte auf das berechnete Dispergierergebnis in einem technischen Prozess analysiert werden.Zur Validierung der Berechnungen werden Experimente für ausgewählte Bedingungen im vorhandenen FPR-Mischer durchgeführt. Die simultane Messung von Geschwindigkeitsfeldern der fluiden und dispersen Phase erfolgt durch die Zugabe von fluoreszierenden Tracerpartikeln auf der Grundlage von PIV (particle image velocimetry) und PTV (particle tracking velocimetry). Durch Verwendung von zwei CCD-Kameras mit entsprechenden optischen Filtern können die Phasen zuverlässig unterschieden werden. Weiterhin sollen instantane Konzentrationsfelder der dispersen Phase ermittelt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr. Ralph Säuberlich