Strömungsberechnung mit dem Euler/Lagrange Verfahren zur Modellierung der Flammensynthese von Nanopartikeln
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel der Arbeiten war es, die Synthese von Partikeln aus der Gasphase in turbulenten Flammen zu modellieren und Kollisionen, Agglomeration und Sintern der Partikel zu berücksichtigen. Es wurde das Euler/Lagrange Verfahren verwendet, bei dem zuerst die Strömung der Gasphase inklusive Verbrennung und dann stochastische turbulente Partikeltrajektorien berechnet wurden. Modelle zur Nukleation, Agglomeration und Sintern der Partikel wurden implementiert. Neu bei diesen Arbeiten war, dass die Primärpartikelgrößenverteilung aufgelöst berücksichtigt wird, was mit herkömmlichen Populationsbilanzmodellen schwer realisierbar ist. Zusätzlich werden turbulente Partikeltrajektorien unter Berücksichtigung von turbulenten Temperaturfluktuationen betrachtet, um den Zeit-Temperatur verlauf für ein Agglomerat zu beschreiben. An einer Industrieanlage zur Herstellung von hochreinem künstlichen Glas in einer Flamme (Firma Heraeus Quarzglas) in Bitterfeld wurden die Partikelgrößenverteilungen gemessen Zusätzlich wurden Geschwindigkeitsdaten in der Flamme gewonnen, um die Strömungssimulationen zu validieren. Die gemessenen und berechneten Partikelgrößen zeigten eine befriedigende Übereinstimmung, allerdings wurden zu viele große Partikel vorher gesagt. Dies scheint dadurch begründet zu sein, dass die Flamme lokal durch Strahlung der Partikel abkühlt. Dadurch gibt es Bereiche in der Flamme, in welchen die Partikel nicht sintern und Agglomerate aus sehr vielen kleinen Partikeln bilden. Zur Beschreibung dieses Effekts wird derzeit ein Modell implementiert. Anregungen für zukünftige Arbeiten ergaben sich daraus, dass die Temperaturfluktuationen, welche die Partikel sehen, nur grob mit einem zeitgemittelten stochastischen Modell vorhergesagt werden können. Das gleiche gilt für die Fluktuationen der Partikelkonzentration. Daher scheint es sinnvoll eine Grobstruktursimmulation der turbulenten Flamme durchzuführen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Horender, S., Lipowsky, J., Sommerfeld, M., Schwerin, M., Badeke, K.U., 2008, Deposition of Nanoparticles Produced in a Turbulent H2/O2 Flame, Aerosol Sci. Tech. 24, 1-11.
- Horender, S., Sommerfeld, M., 2008, Modelling the Nucleation and Clustering of SiO2 Particles Produced in a Flame for the Production of Optical Fib ers, Conf. Proc.Multiphase Flow in Industrial Plant 7-10.Sep. 2008, Palermo.
- Horender, S., Sommerfeld, S., 2008, Particle nucleation, agglomeration and sintering in a turbulent flame, Manuskript in Vorbereitung.
