Magnetresonanztomographie und numerische Modellierung der Hydrodynamik in vibrierten blasenbildenden Wirbelschichten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Heinrich; Professor Dr. Alexander Penn
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 471615686

Wirbelschichten finden u.a. Anwendung in der chemischen und pharmazeutischen Industrie und der Verbrennungstechnik. Vibrierte, blasenbildende Wirbelschichten werden typischerweise in der Lebensmittelindustrie zur Pulvertrocknung aufgrund der verbesserten Partikelbewegung eingesetzt. Trotz des weitverbreiteten Einsatzes ist unser fundamentales physikalisches Verständnis der Hydrodynamik in Wirbelschichten noch limitiert und basiert auf empirischen oder semiempirischen Korrelationen, die nur begrenzte Gültigkeitsbereiche haben. Eine Auslegung und Maßstabsübertragung von Wirbelschichtanlagen ist daher oftmals immer noch unzuverlässig und teuer. Typische Analysemethoden sind entweder invasiv und beeinflussen damit die Strömung, oder sie basieren auf 2D Daten. In den letzten Jahren wurden verstärkt nicht-invasive Methoden für die Untersuchung von Wirbelschichten eingesetzt. Mittels der Magnetresonanztomographie (MRT) kann die Partikelverteilung und -geschwindigkeit im Inneren von Wirbelschichten örtlich und zeitlich aufgelöst gemessen werden. Neben experimentellen Untersuchungen ist die numerische Modellierung von Wirbelschichten in den letzten Jahren aufgrund der sich stetig verbessernden Rechenleistung immer wichtiger geworden.Das Ziel dieses Projektes ist es, die Expertisen in Wirbelschichttechnologie und neuen Simulationsansätzen mit neuartiger Echtzeit-Magnetresonanztomografie-Methodik zu verbinden. Ein MRT-System, welches im Rahmen eines Großgeräteantrags von der DFG (INST 153/152-1 FUGG) gefördert wird, wird derzeit an der TUHH beschafft. Das weltweit einzigartige System besitzt eine vertikale Magnetorientierung und eine magnetische Feldstärke von 3 Tesla. Das System erlaubt die Untersuchung von Probendurchmessern von bis zu 300 mm und -höhen von mehreren Metern. Das MRT System wird starke Magnetfeldgradienten und Radiofrequenz-Antennen besitzen, welche Aufnahme mit hoher räumlicher (ca. 2 × 2 × 10 mm3) und zeitlicher (ca. 100 Hz Bildrate) Auflösung ermöglichen. Wirbelschichten mit und ohne Vibration und verschiedene Partikelarten werden untersucht, um ein detailliertes und umfassendes Verständnis über die Effekte von Partikeleigenschaften und Fluidisierungsparametern auf die 3D Hydrodynamik zu erlangen. Die 3D MRT-Daten werden für die Bewertung der gebräuchlichsten Korrelationen verwendet und mit Probendaten und optischen Bilddaten aus pseudo-2D Anlagen verglichen. Neben den experimentellen Untersuchungen werden auch CFD-DEM-Simulationen durchgeführt. Mit Hilfe der MRT-Daten sollen die numerischen Modelle getestet und validiert und hinsichtlich ihrer Vorhersagegenauigkeit bewertet werden. Dabei liegt ein spezieller Fokus auf der Validierung von bekannten Strömungswiderstands- und Turbulenzmodellen sowie Skalierungsansätzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen