Stereoskopisches Hochgeschwindigkeits-System zur Geschwindigkeits- und Konzentrationsmessung mittels PIV, PTV und LIF
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das High-Speed-System wurde hauptsächlich für drei größere Forschungsprojekte am Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungstechnik eingesetzt. Dies waren der SPP1740 „Reaktive Blasenströmungen“, der SPP1679 „Dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse„ und der SFB/Transregio 63 „Integrierte chemische Prozesse in flüssigen Mehrphasensystemen“. Zudem wurden punktuell Kooperationen mit anderen Lehrstühlen und Instituten bedient. Im Rahmen des SPP1740 konnten mit dem System in einer Blasensäule die Blasengeschwindigkeiten, -durchmesser und –trajektorien, sowie die Flüssigphasengeschwindigkeit zeitlich und räumlich aufgelöst bestimmt werden. Diese Messungen dienten der Validierung von numerischen Berechnungen von Blasensäulen und wurden zusammen mit Konzentrationsmessungen mittels laser-induzierter Fluoreszenz zur Charakterisierung des Stofftransports aus den Blasen in die Flüssigkeit verwendet. Ebenfalls zur Untersuchung von Stofftransport und Geschwindigkeitsfeldern wurde das System im SFB/TR 63 eingesetzt. Hier sollte das hydrodynamische und das Mischungs-Verhalten von neuen Reaktorkonzepten charakterisiert werden. In einem Wendelreaktor wurde mittels des High-Speed- Systems eine Nachweisreaktion für den Sauerstoffübergang aus Luftblasen in die Flüssigkeit beobachtet und daraus die Stoffübergangskoeffizienten ermittelt. Zur Vermessung der turbulenten Strömung innerhalb eines ZickzackSichters wurde das HS- System im SPP 1679 zur Aufnahme von zeitaufgelösten Geschwindigkeitsfeldern innerhalb des Kanals verwendet und dabei die Auswirkungen der abgelösten Grenzschicht auf die Strömung untersucht. Die Daten dienen dabei insbesondere zur Validierung von CFD-Rechnungen. Darüber hinaus wurde eine HS-Kamera in Kombination mit einer LED-Lichtquelle zur Visualisierung der partikelbeladenen Strömung im Kanal eingesetzt. Das System wurde zudem in einem Shadowgrafie Aufbau verwendet, um die Partikelbewegung in einem Säulenkristallisator zu erfassen. Die Hochgeschwindigkeitsaufnahmen ermöglichen dabei grundsätzlich das Verfolgen der Partikel über einen längeren Zeitraum im Messbereich. Daraus abgeleitete Sinkgeschwindigkeiten der Partikel wurden mit CFD-DEM Simulationen verglichen. Das Flussverhalten von Mondsandregolith in einer Sanduhr wurde unter terrestischer Atmosphäre untersucht. Dabei wurden stoßweise Fluidisierungseffekte des oberen Schüttgutes bzw. ein Mitreißen der oberen (leichteren) Partikel mit der Strömung nach oben beobachtet. Der Fluidisierungseffekt sowie Partikelgeschwindigkeiten konnten durch High-Speed-Kamera- Messungen quantifiziert werden. Es folgte eine CFD-DEM-gestützte (CFD: Computational Fluid Dynamics, DEM: Diskrete Element Method) Analyse bei der das Flussverhalten nachgebildet werden konnte. Experimentell bestimmte und simulierte Partikelgeschwindigkeiten stimmen in guter Näherung überein. Der Zeitpunkt der stoßweisen Fluidisierungseffekte konnte allerdings nicht genau vorhergesagt werden, da die Partikelfluidisierung komplex und scheinbar unregelmäßig ist. Eine HS-Kamera wurde am Lehrstuhl für MVT zur Validierung von Stoßzahlmessungen von Partikeln eingesetzt. Dabei wurden die Trajektorien der Partikel in Fallversuchen erfasst und die Geschwindigkeit vor und nach dem Kontakt mit dem Stoßpartner zur Ermittlung des Restitutionskoeffizienten eingesetzt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Flow Investigation of a Zigzag Air Classifier. In: Conference on Modelling Fluid Flow, (Vad, J., Ed.), Budapest 091/1-8, 2015
Roloff, C., Mann, H., Tomas, J. und Thévenin, D.
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Fluiddynamical characterization of a bubble column for investigation of mass-transfer, Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF’15): The 16th International Conference on Fluid Flow Technologies 2015, pp. 067/1-7
Kováts, P., Thévenin, D. and Zähringer, K.
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Simulation and experimental validation of reactive bubble column reactors, Chemical Engineering Science
M.W. Hlawitschka, P. Kováts, K. Zähringer, H.-J. Bart
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Simultaneous 2-Tracer-LIF and PIV for the study of mass transfer around single CO2-bubbles. In: 18th International Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal. ISBN 978-989-98777-8-8, Paper 4.2.6, 1-18, 2016
Kováts, P. and Zähringer, K.
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CFD-DEM simulations of a fluidized bed crystallizer. Chemical Engineering Science, 2017
Kristin Kerst, Christoph Roloff, Luís G. Medeiros de Souza, Antje Bartz, Andreas Seidel- Morgenstern, Dominique Thévenin, Gábor Janiga
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Fluid dynamics in a bubble column: New experiments and simulations, International Journal of Multiphase Flow. Volume 89, March 2017, Pages 299-312
Roland Rzehak, Manuel Krauß, Péter Kováts, Katharina Zähringer
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Measurement and Simulation of Mass Transfer and Backmixing in a Two-Phase Helically Coiled Tube Reactor, Chemical Engineering Science Special Issue GLS13, 2017
Jokiel, M., Wagner, L. M., Kaiser, N., Mansour, M., Zähringer, K., Janiga, G., Nigam, K., Thévenin, D. and Sundmacher, K.
