Interaktion zwischen Partikeln mit finiter Größe und nicht-homogener Turbulenz

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Uhlmann
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529941008

Mehrphasenströmungen mit einer dispersen Phase treten in zahlreichen industriellen Anwendungen und in natürlichen Systemen auf, von Mikroplastik in Ozeanen bis hin zu Einspritzvorgängen in Verbrennungsmotoren. Sowohl die Berechnung des Transportes von Plastikteilchen als auch die Effizienz und der Umwelteinfluss von Antriebssystemen hängen maßgeblich von unserer Fähigkeit ab, turbulente Partikelströmungen mit Schwerkrafteffekten präzise vorherzusagen und zu kontrollieren. Der turbulente Transport von inertiellen Teilchen, die kleiner als die kleinsten Skalen des Strömungsfeldes sind, ist in der Vergangenheit ausgiebig untersucht worden. Die Dynamik größerer Teilchen mit höherer Dichte als das Fluid und unter Einwirkung des Schwerefeldes, hingegen, ist bisher weniger umfassend bekannt, sodass eine Anzahl fundamentaler Fragen weiterhin offen ist: wie beeinflusst die Turbulenz in der Trägerphase die Bewegung von Partikeln mit finiter Größe? Welche Regionen des Strömungsfeldes werden von diesen Teilchen präferentiell aufgesucht, und welche Konsequenzen ergeben sich für die Absetzgeschwindigkeit? Unter welchen Bedingungen treten Agglomerationen auf, und wie wirken sich diese auf das Strömungsfeld aus? Diese Wissenslücken blockieren aktuell eine Weiterentwicklung von ingenieurstechnischen Modellen, wie z.B. Punktpartikelmodelle. Im vorliegenden Projekt sollen diese Effekte mithilfe von modernen Experimentaltechniken und partikelauflösenden Direktsimulationen analysiert werden, um die Vorteile beider Ansätze zu kombinieren: systematisches Abtasten des Parameterraums in Experimenten einerseits und Gewinnung von kompletten zeitlich und räumlich aufgelösten Datensätzen in der Numerik andererseits. Dieser zweifache Ansatz wird es uns ermöglichen, die Dynamik von der Systemskala bis hinunter auf die Skala der Strömung um einzelne Partikel zu erfassen, und dabei die Energiebilanz präzise zu beleuchten. Der zu erzeugende Datensatz wird die Dynamik beider Phasen über einen weiten Bereich der Parameter repräsentieren (Partikelgröße, Dichteverhältnis, Galileozahl, Reynoldszahl, Volumenanteil). Es kann erwartet werden, dass die Ergebnisse unser Verständnis und die Modellierung der Interaktion von Partikeln mit Turbulenz entscheidend vorantreiben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Dr. Romain Volk