Statistische Modellierung von Kollisionsfrequenzen nicht-sphärischer Agglomerate

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Kronenburg
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 444076285

Bei einer Partikelflammensynthese ist ein wesentlicher Mechanismus für das Wachstum der Partikel die Agglomeration. Unter typischen Prozessbedingungen können die Größenverteilungsfunktionen leicht mehrere Größenordnungen von der Nanoskala bis hin zur Mikroskala überbrücken. In der Regel führt eine Partikelkollision zu Partikelwachstum und – abhängig von Material und Temperatur - zu Agglomeraten mit den unterschiedlichsten Morphologien. Je nach Größenbereich unterscheiden sich allerdings die Mechanismen, die zur Kollision führen. Während die Mechanismen für sehr kleine und sehr große, sphärische Partikel recht detailliert untersucht wurden, ist eine gesicherte Modellierung für die Kollisionen im für die Flammensynthese typischen Übergangsbereich weniger bekannt. Im hier beantragten Projekt sollen nun Modelle für Kollisionsfrequenzen nicht-sphärischer Agglomerate untersucht und entsprechende Modelle validiert werden.Entsprechende, für die Validierung notwendige Simulationen müssen ein Wachstum der Agglomerate über einen weiten Größenbereich hinweg erlauben, das korrekte Verhältnis charakteristischer Skalen wie Agglomerategröße und turbulente Längenskalen berücksichtigen und veränderte Wachstumsraten fraktaler Agglomerate abbilden können. Eine übliche Vereinfachung der Modellierung, die auf einer Trennung der Skalen beruht, ist aufgrund des Wachstums nicht mehr möglich und ein weiter Skalenbereich muss aufgelöst werden. Die Besonderheit des beantragten Projekts ist die Verwendung eines coarse-graining Ansatzes, der es erlaubt, die kleinsten Skalen durch “gröbere” Skalen zu repräsentieren und die Simulationszeiten pro Agglomerat drastisch zu verkürzen. Nur so können die kleinsten Skalen im Nanometerbereich und die sehr viel größeren turbulenten Längenskalen in einer Simulation berücksichtigt werden. Zuerst soll der coarse-graining Ansatz weiterentwickelt werden, um ein direktes Tracking aller Agglomerate bei gleichzeitiger Auflösung der relevanten turbulenten Längenskalen zu erlauben. Dann ist eine explizite Analyse der Kollisionsfrequenzen zwischen Agglomeraten unterschiedlicher Größe möglich, und eine direkte Evaluation existierender Modellansätze kann durchgeführt werden. Im weiteren Verlauf des Projekts sollen die Daten der direkten Simulationen so genutzt werden, um die Berechnung der zusätzlichen Charakteristika der coarse-grained Partikel, die die Reduktion der Freiheitsgrade erlauben, zu automatisieren und alternative Modelle für Kollisionsfrequenzen mit Hilfe neuronaler Netze zu generieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen