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Projekt
Grundlegende Prozesse bei der Nanopartikelsynthese in Sprayflammen: Verdunstung, Mischung und chemische Reaktionen
Antragstellerin
Professorin Dr. Eva Gutheil
Fachliche Zuordnung
Strömungsmechanik
Förderung
Förderung seit 2017
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 374463455
Die sprayflammenbasierte Nanopartikelsynthese wird wesentlich durch die Teilprozesse Verdunstung, turbulente Mischprozesse und chemische Reaktionen beeinflusst. Gegenüber einer mit reinem Brennstoff betriebenen Sprayflamme beeinflusst die Prekursorlösung das Gesamtsystem. Insbesondere ist das Verdampfungsverhalten der Prekursorlösung weitgehend unbekannt wegen der schwer oder nicht zugänglichen Stoffeigenschaften und dem Auftreten von Reaktionen innerhalb der Flüssigkeit. Die Partikelbildung kann schon direkt aus der flüssigen Phase erfolgen, was nicht erwünscht ist, und es können Mikroexplosionen auftreten, die den Gesamtablauf des Prozesses maßgeblich beeinflussen können. Diese Prozesse sollen in dem Projekt modelliert werden. Eindimensionale Modelle sollen weiterhin die Stoffkonzentrationen und die Flamme im Tropfennachlauf liefern, um Aufschluss über die Reaktionsbedingungen in dem Gesamtsystem zu gewinnen. Die verdampften Prekursorenlösungen haben Einfluss auf das Verbrennungsverhalten. Die Kopplung der Verdampfung und der chemischen Reaktionen geschieht durch Sprayflammen-Bibliotheken, in denen die Verdampfung neben den bei der reinen Gasphasenverbrennung enthaltenen Variablen enthalten ist. Insbesondere werden teilweise vorgemischte Sprayflammen unter Verwendung des Mischungsbruchs und einer geeigneten Fortschrittsvariablen generiert und in die Simulation der turbulenten Sprayflamme integriert. Neue Mehrfachlösungen laminarer brennstoffreicher Sprayflammen wurden gefunden: zwei chemischen Reaktionszonen, wovon eine auf der Sprayseite und die andere auf der Gasseite der Konfiguration liegt, und eine neue Struktur, die eine einfache Reaktionszone auf der Gasseite zeigt. Die letztere führt zu einer Separierung der Verdampfungs- und Reaktionszone, die jedoch einzeln nicht existieren können, da die Verdampfung die Flamme mit Brennstoff versorgt und die chemische Reaktion die Energie für die Verdampfung liefert. Dieses Szenario wird untersucht werden in Bezug auf das Auftreten der Pulsation der Flamme am SpraySyn Brenner sowie das Auftreten von Mikroexplosion in der Verdampfungszone. Die neuen Sprayflammenbibliotheken werden erstellt und in das Gesamtsystem eingebunden.Die Interaktion von turbulenter Mischung, Verdampfung und chemischen Reaktionen ist sehr gut mithilfe von transportierten gebundenen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen beschreibbar. Dazu werden die Parameter Mischungsbruch, Reaktionsfortschrittsvariable und Verdampfungsgeschwindigkeit und Enthalpie verwendet, die die Sprayflamme charakterisieren. Die Verdampfungsmodelle für die Prekursorlösung werden hier berücksichtigt, sodass die Nanopartikelsynthese in diesen Flammen beschreibbar ist. Parameterstudien sollen zeigen, welchen Einfluss die Anfangsbedingungen auf die Nanopartikelbildung haben, wobei die entwickelten Teilmodelle in das Gesamtmodell des SpraySyn Brenners eingebunden werden und in andere Teilprojekte des SPP transferiert werden.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
