Mehrskalen Untersuchung des Mobilitätseffekts kugelförmiger und nicht-kugelförmiger Partikel in dispersen Feststoff/Fluidsystemen mit Bezug auf Impuls- und Wärmeaustausch

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Harald Kruggel-Emden
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 333932055

Ein zentrales Thema bei der Untersuchung disperser Mehrphasenströmungen ist die detaillierte Analyse des Strömungsverhaltens und der Phänomene, die durch das Vorhandensein der Feststoffphase hervorgerufen werden. Bei dichten Partikel/Fluid-Strömungen ist eine genaue Beschreibung der Impuls- und Wärmeübertragung zwischen den beiden Phasen wünschenswert und kann durch partikelaufgelöste direkte numerische Simulation (PR-DNS) erfolgen. Hierbei erhöht sich jedoch die Komplexität, wenn Partikel sich innerhalb der Mehrphasenströmung frei bewegen können, wie dies in Wirbelschichten im Gegensatz zu statischen Systemen der Fall ist. In solchen dynamischen und dichten Partikelsystemen können Partikelgeschwindigkeits-schwankungen und Inhomogenitäten in der lokalen Partikelverteilung auftreten, die als Mobilitätseffekte bezeichnet werden. Kürzlich durchgeführte Studien haben gezeigt, dass Mobilitätseffekte einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf den Impuls- und Wärmeübergang von kugelförmigen Partikeln haben. Eine Einbeziehung in Korrelationen ist bisher aber unzureichend erfolgt, was umso mehr für nicht-kugelförmige Partikel und gekoppelten Wärmeübergang gilt. Ziel der vorgeschlagenen Forschungsarbeit ist es, zu einer breiteren Basis von PR-DNS-Daten für Gas/Feststoffströmungen mit Wärmeübertragung beizutragen, bei denen sich Partikel frei bewegen können. Die PR-DNS dienen dazu, Korrelationen für Impuls und Wärmeübertragung abzuleiten, die Mobilitätseffekte über einen breiteren Bereich von Parametern (Reynoldszahl, Stokeszahl, Feststoffvolumenanteil) erstmals berücksichtigen. Neu bei diesen Korrelationen ist die Berechnung von Impuls- und Wärmeaustausch für jedes Einzelpartikel unter Berücksichtigung der individuellen relativen Position und Geschwindigkeit, wofür mit einem physik-basierten Ansatz beruhend auf einem Kernel-Smoother sowie einem Ansatz basierend auf einem künstlichen neuronalen Netz zwei unterschiedliche Arten der Modellentwicklung verfolgt werden. Insbesondere werden hierbei auch transversale Partikel/Fluidkräfte mitmodelliert, die sich aus der lokalen Umströmung der Partikel ergeben und in volumen-gemittelten Berechnungen bisher unzureichend beschrieben wurden. Um den Nutzen der abzuleitenden Korrelationen gegenüber herkömmlichen Korrelationen zu quantifizieren, werden Wirbelschichtsimulationen mit Wärmeübertragung unter Verwendung der unaufgelösten DEM-CFD und mittels PR-DNS durchgeführt. Durch den Vergleich der Simulationen in Bezug auf integrale Parameter kann die Bedeutung der Berücksichtigung von Mobilitätseffekten bewertet werden. Im zweiten Teil des Projekts wird dies für ausgewählte nicht-sphärische Partikel (Sphero-Zylinder, Würfel, Oblate) wiederholt, um den Zusammenhang zwischen Mobilitätseffekten und Partikelformen zu untersuchen und Schlussfolgerungen in Bezug auf eine künftige Verbesserung von Korrelationen unter Berücksichtigung der Asphärizität zu ziehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Luxemburg
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Bernhard Peters