Substrateinfluss auf strömungsinduzierte Partikelbewegung in laminarer Scherströmung

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Wierschem
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269455552

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das strömungsinduzierte Lösen und Bewegen von Feststoffpartikeln auf einem festen Untergrund ist von grundlegender Bedeutung bei vielen natürlichen und industriellen Systemen. Die experimentellen und numerischen Untersuchungen an sphärischen Partikeln bei niedrigen Partikelreynoldszahlen in laminaren Scherströmungen haben die Grundlage für ein detailliertes Verständnis der Partikelbewegung und ihres Einsatzes in Scherströmungen geschaffen. Die Analyse mündete in der Entwicklung eines Modells. Das Modell baut auf den analytischen Resultaten zum Einfluss einer ebenen Wand auf die Widerstandskraft einer Kugel in schleichender Scherströmung auf. Es berücksichtigt so wesentliche Einflussfaktoren der Substratnähe wie die Asymmetrie der Umströmung. Wegen der niedrigen Partikelreynoldszahl sind strömungsinduzierte Querkräfte vernachlässigbar. Das Eindringen der Strömung in Substratzwischenräume wird mit einem effektiven Nullniveau beschrieben. Weitere Auswirkungen der Substratform auf die Strömung bleiben unberücksichtigt. Die Form des Substrats selbst manifestiert sich im Wesentlichen im Ruhewinkel und dem Winkel zwischen Bewegungs- und Hauptströmungsrichtung. In guter Übereinstimmung mit numerischen Resultaten zeigt es, dass in der Tat eine weitere detaillierte Berücksichtigung nicht notwendig ist. So finden sich bei niedrigen Ruhewinkeln nur marginale Unterschiede zwischen quadratischen und dreieckigen Substratgeometrien. Die Abschattung wird für Druck- und Reibungskraft getrennt modelliert als Verhältnisse von exponierten Flächen zu Gesamtflächen. Für die Druckkraft sind das die Querschnittsflächen, für die Reibungskraft die Oberflächen. So steht nun für kleine Partikelreynoldszahlen ein Modell zur Verfügung, das den Einsatz der Partikelbewegung quantitativ ohne Rückgriff auf nicht wohldefinierte Parameter beschreibt. Das Modell hat einen sehr weiten Anwendungsbereich: Es deckt den Einsatz der Bewegung über den gesamten Ruhewinkelbereich ab und erstreckt sich von starker Abschattung durch das Substrat bis hin zu vollständig exponierten Partikeln auf rauer Unterlage. Typische Abweichungen liegen im Bereich von deutlich unter 10% und damit deutlich niedriger als etablierte Modelle. Auch bei Außenströmungen, die selbst durch eine hohe Reynoldszahl charakterisiert sind, kann die Partikelreynoldszahl für kleine Partikel hinreichend niedrig sein. Das Modell wurde auch auf die Partikelbewegung bei überkritischen Shieldszahlen erweitert. Auch für diesen Fall ermöglicht es eine angemessene quantitative Beschreibung der Partikelbewegung. Nachbarpartikel behindern die Bewegung. Es wurden unterschiedliche Szenarien analysiert, bei denen sich auf den Substraten zwei Partikel in Kontakt miteinander befinden. Bei stark exponierten Partikeln mit großen Ruhewinkeln in Kontakt miteinander tritt Kollektivbewegung auf und bei stark abgeschatteten meist ein Überholen des vorderen Partikels durch das hintere. Beim Übergang zwischen diesen Regimen gibt es eine maximale kritische Shieldszahl. Mit dem Partikelgrößenverhältnis ändert sich der Ruhewinkel in Kontakt der Partikel miteinander. Entsprechend verschiebt sich der Übergang zwischen den Regimen. Die Grundhypothesen fanden sich bestätigt. Unerwartet waren die Schwierigkeiten mit der Discrete-Element-Methode unter OpenFOAM bei der Berechnung der Partikelbewegung. Sie konnten durch Anwendung der Lattice-Boltzmann-Methode überwunden werden. Positiv überrascht hat, dass das Modell trotz der komplexen Geometrie eine erstaunlich gute quantitative Beschreibung vor allem des Einsatzes der Partikelbewegung ermöglicht.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Incipient motion of a single sphere on uniform layers at low particle Reynolds numbers, 11th European Fluid Mechanics Congress (EFMC2016), Sevilla, 14.9.2016
  J. R. Agudo, C. Illigmann, G. Luzi, A. Delgado, A. Wierschem
  
• Shear-induced granular motion on regular substrates at low particle Reynolds numbers, 24th International Congress of Theoretical and Applied Mechanics (ICTAM2016), Montreal, 26.8.2016
  J. R. Agudo, C. Illigmann, G. Luzi, A. Delgado, A. Wierschem
  
• Shear-induced incipient motion of a single sphere on uniform substrates at low particle Reynolds numbers, Journal of Fluid Mechanics 825, 284-314 (2017)
  J. R. Agudo, C. Illigmann, G. Luzi, A. Laukart, A. Delgado, A. Wierschem
  
• Shear-induced onset of particle motion at low particle Reynolds numbers: From high shielding to roughness, Euromech Colloquium 588 Coupling Mechanisms and Multi-Scaling in Granular-Fluid Flows, Toulouse, 2.10.2017
  A. Wierschem, J. R. Agudo, G. Luzi, A. Delgado, C. Illigmann
  
• Incipient particle motion at low particle Reynolds numbers, 12th European Fluid Mechanics Conference (EFMC2018), Wien, 11.9.2018
  N. Topic, S. Retzepoglu, M. Wensing, C. Illigmann, G. Luzi, J. R. Agudo, A. Wierschem
  
• Effect of particle size ratio on shear-induced onset of particle motion at low particle Reynolds numbers: From high shielding to roughness, Physics of Fluids 31, 063305 (2019)
  N. Topic, S. Retzepoglu, M. Wensing, C. Illigmann, G. Luzi, J. R. Agudo, A. Wierschem