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Projekt
Numerische Vorhersage der Zusammensetzung von Hetero-Aggregaten aus Elektrospray-Prozessen und deren produktorientierte Optimierung
Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Martin Sommerfeld
Fachliche Zuordnung
Mechanische Verfahrenstechnik
Förderung
Förderung seit 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542432634
Die Nutzung der Wechselwirkung zweier bipolarer Elektrosprays ist eine innovative Idee für die Produktion von Hetero-Aggregaten. Numerische Berechnungen würden eine produktorientierte Optimierung in Bezug auf Betriebsparameter ermöglichen. Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines voll-gekoppelten Berechnungswerkzeuges auf der Grundlage des Punktpartikel-Euler/Lagrange-Verfahrens, so dass Strömungsfeld, elektrisches Feld und die Tropfenphase wechselwirkend simuliert werden. Die Gasströmung, beeinflusst durch elektrisches Feld und Tropfenphase, wird mit einem Grobstrukturansatz (LES) dargestellt. Das elektrische Feld wird durch die Gleichungen für Feldstärke, elektrisches Potential und Stromdichte unter Beachtung der Tropfen-Raumladungsdichte berechnet. Die Simulation der Tropfen (Suspensions- oder Lösungstropfen) beinhaltet Verdampfung, Strömungskräfte, elektrische Feldkräfte und Coulomb-Wechselwirkung zwischen Tropfen als auch turbulente Dispersion. Im ersten Schritt werden für ein einfaches Elektrospray die grundlegenden Modelle implementiert und validiert. Dies betrifft die Tropfeninjektion mit allen notwendigen Eigenschaften, wie Größe, Geschwindigkeit, Temperatur, Ladung und Feststoffgehalt, und die Entwicklung eines effektiven stochastischen Modells für die elektrostatische Wechselwirkung zwischen Tropfen. Für die Berechnung wechselwirkender Elektrosprays wird das stochastische Kollisionsmodell für geladene Tropfen erweitert. Zu diesem Zweck sind Experimente zur Kollision elektrisch geladenen Tropfen erforderlich, um das Ergebnis der Kollisionen zu quantifizieren (z.B. Koaleszenz und Separation). Kollisionen zwischen gegensinnig geladenen Tropfen mit Feststoffkomponenten A und B bestimmen wesentlich die Komposition der erzeugten Hetero-Aggregate. Die Vermischung von Partikeln A und B innerhalb zweier koaleszierender Tropfen wird zudem durch tropfenaufgelöste direkte numerische Simulationen (DNS) unter Verwendung der VOF (volume of fluid) Methode untersucht. Die Partikel werden dabei als Punktmassen behandelt. Durch ein deterministisches Kollisionsmodell wird eine mögliche Agglomeration mit der DLVO-Theorie, in Verbindung mit einem Agglomerations-Aufbaumodells, modelliert. Die numerische Berechnung des gesamten Prozesses basiert auf der experimentellen Konfiguration im Projekt Weber/Will und besteht aus Gaszufuhr, zwei wechselwirkenden Elektrosprays und dem Auslassrohr. Letzteres fungiert als Erdungspol und Heizung für die Lösemittelverdampfung und das Sintern der Agglomerate. Dafür liefern die Euler/Lagrange Simulationen die Komposition der erzeugten Hetero-Aggregate für Suspensions- und Lösungstropfen. Diese Komposition wird entscheidend durch die Betriebsbedingungen des Prozesses gesteuert. Damit können die erhaltenen Mittelwerte und Standardabweichungen der Komposition klar mit den Betriebsbedingungen korreliert werden, um Material- und Prozess-Funktionen zu erhalten. Diese Zusammenhänge erlauben eine zielorientierte Optimierung.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
