Modellierung des Einflusses von Partikelagglomeration und -bruch für eine verbesserte numerische Berechnung von Gaszyklonen

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Martin Sommerfeld
• Subject Area: Mechanical Process Engineering
• Term: from 2006 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 26743416

Es sollen numerische Verfahren zur Berechnung und Auslegung von Gaszyklonen weiterentwickelt werden. Neben der Berechnung lokaler (mittlere Partikelgröße, mittlere Partikelgeschwindigkeit) und integraler Größen (Trenngradkurve, Druckverlust) sollen vor allem Bereiche im Inneren des Zyklons identifiziert werden, in denen Agglomerations- und Bruchvorgänge die Partikelgrößenverteilung der dispersen Phase beeinflussen. Da die Größe der Partikel einen signifikanten Einfluss auf das Abscheideverhalten hat, ergäbe sich ein wertvolles Hilfsmittel für die Auslegung und Verbesserung von Zyklonen. Die Simulationen sollen mit Hilfe des bekannten Euler/Lagrange-Verfahrens durchgeführt werden, da dieser Ansatz eine getrennte Betrachtung verschiedener Partikelgrößenklassen erlaubt. Die Zeitabhängigkeit der Strömung soll durch ein neues, numerisch effizientes quasi-instationäres Kopplungsverfahren für beide Phasen erfasst werden. Aufgrund der anisotropen Turbulenz im Inneren des Zyklons wird für die Strömungsberechnung ein hochwertiges Turbulenzmodell benötigt. Daher sollen für die Berechnung der kontinuierlichen Phase Grobstuktursimulationen (LES) unter Berücksichtigung der Zwei-Wege-Kopplung verwendet werden. Die Annahme einer hauptsächlich von großen und energietragenden Wirbel bedingten turbulenten Partikeldispersion erlaubt dann den Einsatz eines einfachen Modells für die turbulente Partikeldispersion. Die für Agglomeration und Bruch wichtigen Kollisionsvorgänge sollen mit Hilfe eines stochastischen Kollisionsmodell aufgelöst werden. Das Kollisionsmodell soll bei Berechnung der Relativgeschwindigkeit durch die Berücksichtigung des lokalen Konzentrationsgradienten erweitert werden, um auch konzentrationsbedingte Sperreffekte im Partikeltracking berücksichtigen zu können. Zur Beschreibung der auftretenden Bruchvorgänge muss ein neues Desagglomerationsmodell entwickelt werden. Dabei soll die Anlagerungsgeschichte jedes Agglomerats mit Hilfe einer dynamischen Liste gespeichert werden. Die Bindungskräfte im Inneren des Agglomerats werden in jedem Zeitschritt mit den äußeren Kräften verglichen. Sind die angreifenden Kräfte größer als die schwächste Kontaktstelle, kommt es zum Bruch und die entstehenden Teilagglomerate werden getrennt weiterverfolgt. Die Validierung der neu entwickelten Modelle soll einerseits mit Hilfe von Literaturdaten, andererseits anhand von Messungen an einem vorhandenen Gaszyklon erfolgen. Dabei sollen vor allem Partikelgrößenverteilungen an verschiedenen Stellen innerhalb des Zyklons bestimmt werden.

• DFG Programme: Research Grants