Untersuchung von Gas-Flüssig-Feststoff Dreiphasenströmungen gekoppelt mit Partikel-Blasen-Wechselwirkung, Partikel-Turbulenz-Interaktion und blaseninduzierter Turbulenz für Blasensäulenreaktoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Sommerfeld
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391978046

In dem vorgeschlagenen Projekt sollen die Wechselwirkungsmechanismen in einer Gas-Flüssig-Feststoff-Dreiphasenströmung innerhalb von Blasensäulen untersucht werden. Die Forschungsstrategie beinhaltet theoretische Modellierung, numerische Simulationen und experimentelle Untersuchungen. Numerische Berechnungen werden komplementär unter Verwendung eines Mehrfluid-Verfahrens mit einer Populationsbilanz und einem Euler/Lagrange Ansatz durchgeführt. Beide Modellierungsansätze müssen für die Berechnung von dreiphasigen Blasensäulen entsprechend erweitert werden, um alle relevanten Transportmechanismen zu erfassen. Dies beinhaltet zunächst die Berücksichtigung aller Kräfte zur Beschreibung von Blasen- und Partikelbewegung. Modelle werden entwickelt für die meso-skaligen Wechselwirkungen zwischen Blasen und Partikeln, die blaseninduzierte Turbulenz und die Modifizierung der Turbulenz durch die Feststoffpartikel. Damit sollen folgende Schwerpunkte innerhalb des Projektes bearbeitet werden, jeweils verbunden mit einer detaillierten Validierung und dem Quervergleich beider Berechnungsansätze:(1) Modellierung der Partikel-Blasen-Wechselwirkung unter Berücksichtigung einer möglichen Haftung. Dieses Modell basiert auf dem stochastischen Kollisionsmodell unter Betrachtung einer fluiddynamischen Wechselwirkung. Zusätzliche Widerstandsterme werden entwickelt, welche das Mitreißen der Partikel durch die Blasen und die Behinderung des Blasenaufstiegs beschreiben. Die Modellentwicklungen werden durch Lattice-Boltzmann-Simulationen unterstützt, wobei die Blasen aufgelöst werden und die Partikel als Punktmassen behandelt werden.(2) Entwicklung eines neuen Blasenkoaleszenz- und Zerfallsmodells, welches blaseninduzierte Turbulenz und die Turbulenzmodifizierung durch Partikel berücksichtigt. Dieses Modell wird in eine Zweigruppen-Populationsbilanz eingebaut.(3) Entwicklung von Feinstrukturmodellen (für die Durchführung von Grobstruktursimulationen, LES), welche die Turbulenzmodifizierung durch Partikel und Blasen auch für die nicht aufgelöste Turbulenz berücksichtigen. Diese Modelle werden beim Mehrfluidansatz mit Populationsbilanzen und beim LES-Euler/Lagrange-Verfahren berücksichtigt.(4) Anpassung von PIV (particle image velocimetry) und ECVT (electrical capacitance volume tomography) für Messungen an einer dreiphasigen Blasensäule. Dadurch werden die Phasenverteilungen bestimmt sowie die Hydrodynamik in der Blasensäule genau vermessen. Insbesondere sollen Turbulenzspektren im Dreiphasensystem gemessen werden. Weiterhin wird die Wechselwirkung zwischen Blasen und Partikeln untersucht. Dadurch werden detaillierte experimentelle Daten zur Modifizierung der Turbulenzstruktur durch Blasen und Partikel bereitgestellt. Diese Ergebnisse dienen der Validierung der parallel durchgeführten numerischen Berechnungen mit beiden Methoden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Mitverantwortlich: Professor Xiaogang Yang, Ph.D.