Untersuchung des Überganges von Aerosolpartikeln in Flüssigkeiten mit einer adaptiv-optischen Messtechnik für hochdynamische Phasengrenzflächen

• Antragsteller: Dr. Lars Büttner; Gregory Lecrivain, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 459505672

Der Abscheidung von Aerosolen an Gas-Flüssig-Phasengrenzflächen kommt sowohl in der Natur, z. B. in Form der Luftreinigung durch Regen, als auch in zunehmendem Maße in technischen Prozessen eine wichtige Rolle zu. Der zugrundeliegende Mechanismus der Abscheidung und die Abscheiderate hängen maßgeblich von der Partikelgröße ab. Im Bereich nanoskaliger Partikel dominiert die molekulare Diffusion, und die Partikelabscheideraten können gut vorhergesagt werden. Im Partikelgrößenbereich von 0,1 µm bis 2,5 µm versagen jedoch heutige Vorhersagemodelle. Hier kann die Massenträgheit der Partikel nicht mehr vernachlässigt werden und die beteiligten Strömungsfelder der flüssigen und gasförmigen Phase erhalten eine zentrale Bedeutung.Bisherige Modelle basieren auf einer sphärischen Form der Phasengrenzfläche. Da die tatsächliche Form der Phasengrenzfläche aufgrund der durch die Adsorption lokal veränderten Oberflächenspannung und die beteiligten Strömungsfelder nicht berücksichtigt werden, ist eine zuverlässige Vorhersage der Abscheiderate kaum möglich. Dafür ist eine zuverlässige Messung der Strömung beidseitig der Phasengrenzfläche unerlässlich. Während die Kontur der Phasengrenzfläche experimentell bereits gut erfasst werden kann, ist die Messung der Strömungsfelder schwierig. Bei optischen Untersuchungen der komplexen dreidimensionalen Strömungsfelder führt die Lichtbrechung an der allseitig offenen, hochdynamischen Phasengrenzfläche zu Aberrationen und damit zu signifikanten Messabweichungen. In diesem Vorhaben soll der erstmalige Einsatz adaptiv-optischer Elemente zur Korrektur dieser Aberrationen einen Paradigmenwechsel einleiten. Es soll ein dreidimensionales Particle-Tracking-Messsystem realisiert und eingesetzt werden, das mit Hilfe eines Spiegels mit deformierbarer Membran die von den fluktuierenden Phasengrenzflächen induzierten Messabweichungen in Echtzeit korrigiert. Die damit durchgeführten Messungen der Umströmung und Innenströmung von Gasblasen und Wassertropfen sollen eine breite Datenbasis für die Modellbildung schaffen. Das Vorhaben zielt auf ein verbessertes skalenübergreifendes Modell ab, welches eine zuverlässige Vorausberechnung der Partikelabscheiderate unter Berücksichtigung von Phasengrenzfläche und Strömungssituation ermöglichen soll. Damit soll beispielsweise untersucht werden, ob die Abscheiderate durch das Erzwingen einer nicht-sphärischen Blasenform erhöht und damit der Abscheideprozess effizienter gestaltet werden kann. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens können perspektivisch einen wertvollen Beitrag zur Miniaturisierung von filterlosen Nassabscheidern zur Abgasreinigung und zur Reduzierung von Feinstaubemissionen liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Jürgen W. Czarske; Professor Dr.-Ing. Uwe Hampel