Untersuchung und Modellierung des Verhaltens nicht-sphärischer Partikel in turbulenten Gasströmungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erweiterung des Euler/Lagrange-Verfahrens zur numerischen Berechnung partikelbeladener Strömungen unter Berücksichtigung von nicht-sphärischen Partikelformen. Dies beinhaltet die Erweiterung von Modellen zur Beschreibung des turbulenten Partikeltransports, der Partikel-Wandkollisionen, der Partikelstöße und der Rückwirkung der Partikel auf die Strömung. Zur Analyse der für den Partikeltransport relevanten fluiddynamischen Kräfte (Widerstand, Profilauftrieb und Auftrieb durch Rotation und Scherströmung) in Abhängigkeit der Partikelorientierung wurden direkte numerische Simulationen auf der Basis der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) durchgeführt. Daraus konnte eine entsprechende Korrelatione für den Widerstandsbeiwert unter Berücksichtigung der Orientierung abgeleitet werden. Weitere Simulationen sind erforderlich um auch Korrelationen für die transversalen Auftriebskräfte ermitteln zu können. Ebenfalls wurden LBM-Simulationen zum Verhalten nicht-sphärischer Partikel in einer homogenen isotropen Turbulenz durchgeführt. Die Entwicklung und Validierung der Modelle für nicht-sphärische Partikel machten es notwendig, detaillierte Experimente durchzuführen. Für die Analyse des strömungsbedingten Transports von nicht-sphärischen Partikeln in turbulenten Strömungen wurde eine vertikal aufwärts gerichtete Gitterturbulenz aufgebaut. Die Dispersion von sphärischen und plättchenförmigen nicht-sphärischen Partikeln, welche kurz oberhalb des Turbulenzgitters punktuell zugegeben wurden, wurde zunächst mit Hilfe der Laser-Doppler Anemometrie (LDA) untersucht. Wie zu erwarten, dispergieren nicht-sphärische Partikel etwas stärker als sphärische Partikel mit etwa gleicher Stokes-Zahl. Dies ist natürlich verbunden mit höheren Schwankungsgeschwindigkeiten bei nicht-sphärischen Partikeln. Der Hauptgrund hierfür liegt in der sich ständig ändernden Orientierung der Partikel in den Turbulenzstrukturen und den höheren Widerstandsbeiwerten. Um insbesondere den Einfluss des Wandkollisionsvorgangs auf den Transport von nichtsphärischen Partikeln zu untersuchen, wurden LDA-Messungen in einer entwickelten horizontalen Kanalströmung für mehrere sphärische und nicht-sphärische Partikelarten durchgeführt. Bei etwa gleicher Stokeszahl war das schwerkraftbedingte Sedimentieren bei nicht-sphärischen Partikeln deutlich ausgeprägter. Eine Ursache hierfür liegt in den deutlich geringeren normalen Stoßzahlen beim Wandkollisionsvorgang nicht-sphärischer Partikel. Dies wurde mit Hilfe einer speziell aufgebauten Versuchsanlage zur Untersuchung des Wandstoßes nachgewiesen. Das Modell zur Beschreibung des Wandkollisionsvorgangs von nicht-sphärischen Partikeln wurde durch die Verwendung von kinematischen Simulationen weiter entwickelt. Sowohl der mittlere Orientierungswinkel der Partikel beim Wandaufprall, als auch der mittlere Kontaktradius (Abstand vom Wandkontaktpunkt zum Partikelschwerpunkt) in Abhängigkeit des Auftreffwinkels kann durch Korrelationsfunktionen, welche von einem Partikelformfaktor abhängen, beschrieben werden. Diese Korrelationen stehen für die Implementierung des Wandkollisonsmodells in das Lagrangesche Berechnungs verfahren zur Verfügung. Schließlich wurde begonnen das Euler/Lagrange-Verfahren für nicht-sphärische Partikel zu erweitern und es wurden zunächst Korrelationen des Widerstandsbeiwertes für nichtsphärische Partikel implementiert. Die für Quarz- und Duroplastpartikel erhaltenen Ergebnisse wurden untereinander als auch mit den Messungen im Flachkanal verglichen. Die verschiedenen Korrelationen liefern besonders deutliche Unterschiede für alle Komponenten der Partikelschwankungsgeschwindigkeiten und zeigen eine starke Abhängigkeit von der Sphärizität der Partikel. Lagrangesche Berechnungen der Partikelorientierung auf der Basis der Euler-Winkel wurde bisher in die LBM implementiert und das Verhalten zylindrischer Partikel in einer homogenen isotropen Turbulenz untersucht. Die Komplexität des Bewegungsverhaltens von nicht-sphärischen Partikeln in durch Wandungen berandeten partikelbeladenen Zweiphasenströmungen erfordern weitergehende Untersuchungen sowohl im Hinblick auf den aerodynamischen Transport als auch das Wandkollisionsverhalten. Eine erweiterte Korrelation für den Widerstandsbeiwert in Abhängigkeil der Partikelorientierung konnte mit Hilfe von direkten numerischen Simulationen auf der Basis der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) entwickelt werden. Derartige Korrelationen sind allerdings auch für die Berechnung der transversalen Auftriebskräfte (Profilauftrieb und Auftrieb durch Scherung und Rotation) erforderlich. Eine Ermittlung dieser Beiwerte kann bis zu Partikel-Reynoldszahlen von ca. 500 sehr effizient mit der LBM erfolgen. Dadurch sind dann die Voraussetzungen gegeben, den turbulenten Transport nicht-sphärischer Partikel unter Berücksichtigung der Partikelorientiemng mit dem Euler/Lagrange-Verfahren zu berechnen. Die Validierung der numerischen Berechnungen sollte mit Hilfe weiterer Experimente zur Dispersion nicht-sphärischer Partikel in einer Gitterturbulenz realisiert werden. Für diesen Zweck sollten hochauflösende bildgebende Messverfahren in Kombination mit PTV (particle tracking velocimetry) und PIV (particle image velocimetry) eingesetzt werden. Schließlich ist es erforderlich, das entwickelte Wandkollisionsmodell für nicht-sphärische Partikel in das Lagrangesche Berechnungsprogramm zu implementieren und zu testen. Fehlende Informationen über die Änderung der Partikelrotation beim Wandaufprall müssen durch Stereoskopische bildgebende Messungen bereitgestellt werden. Für die Validierung des für nicht-sphärische Partikel erweiterten Euler/Lagrange-Verfahrens stehen die im Rahmen dieses Vorhabens erhaltenen umfangreichen Messungen am Flachkanal zur Verfügung. Schließlich ist es auch notwendig, das Partikelkollisionsmodell und die Quellterme für den Einfluss der Partikel auf die Fluidströmung im Hinblick auf nicht-sphärische Partikel zu erweitern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Analyse der Wandkollision von nicht-sphärischen Feststoffpartikeln. Chemie Ingenieur Technik, 73, 1573-1578 (2001)
Sommerfeld, M.
- Kinetic simulations for analysing the wall collision of non-spherical particles. Joint US ASME/European Fluids Engineering Summer Conference, Montreal, Paper No. FEDSM 2002-31239 (2002)
Sommerfeld, M.
- Analysing the wall collision process of non-spherical particles. Engineering Conferences International: Computational Fluid Dynamics in Chemical Reaction Engineering III, Davos Switzerland, May 25-30, 2003
Sommerfeld, M. and Kussin J.
- Behaviour of non-spherical particles in horizontal charmel flow. EUROMECH 447, Interaction Phenomena in Turbulent Particle-Laden Flows, Tallinn, Estonia, June 18-20, 2003
Kussin J. and Sommerfeld, M.
- Experimentelle Studien zur Partikelbewegung und Turbulenzmodifikation in einem horizontalen Kanal bei unterschiedlichen Wandrauhigkeiten. Disseration, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (2003)
Johannes Kussin
- Lattice Boltzmann simulations to determine forces acting on non-spherical particles. 4th ASME/JSME Joint Fluids Engineering Conference, Honolulu, Hawaii, Paper No. FEDSM2003-45738 (2003)
Hölzer, A. and Sommerfeld, M.
- Behaviour of non-spherical particles in horizontal charmel flow. 13th IUTAM Advanced School: Dispersion of Particles in Turbulent Flows, CISM Udine, Sept. 2005
Sommerfeld, M.
- Determination of resistance coefficients for non-spherical particles and between two spheres by the Lattice-Boltzmann Method. GAMM Annual Meeting 2005, March/April 2005
Hölzer, A. and Sommerfeld, M.
- On the behaviour of non-spherical particles in pneumatic conveying. 5th International Symposium on Multiphase Row, Heat Mass Transfer and Energy Conversion, Xi`an, China, 3. - 6. July 2005 (Abstract No. 284)
Sommerfeld, M. and Kussin, J.
- Study on the pneumatic conveying of non-spherical particles in a turbulent horizontal channel. Proceedings of the 11th Workshop on Two-Phase Flow Predictions (CD-Rom), Merseburg, April 2005
Lain, S. and Sommerfeld, M.
- Lattice-Boltzmann Simulations to determine forces acting on non-spherical particles. IUTAM Symposium on Computational Approaches to Multiphase Flow (Eds. S. Balachandar and A. Prosperetti), Springer Dordrecht, pp. 99-108 (2006)
Hölzer, A. and Sommerfeld, M.
- Transport of non-spherical particles in turbulence: Application of the LBM. Proceedings of the ASME Joint U.S.-European Fluids Engineering Summer Meeting, Miami, Florida, Paper No. FEDSM2006-98329 (2006)
Hölzer, A. and Sommerfeld, M.
- A study of the pneumatic conveying of non-spherical particles in a turbulent horizontal channel flow. Brazilian Journal of Chemical Engineering, Vol. 24, 535-546 (2007)
Lain, S. and Sommerfeld, M.
- Experimental and Numerical Study of the Motion of Non-Spherical Particles Ui Wall-Bounded Turbulent Flows. Universidad Autonoma de Occidente, Cali, Columbia, ISBN 978-958-8122-58-8, Feb. 2008
Lam, S. and Sommerfeld, M.
- New and simple correlation formula for the drag coefficient of non-spherical particles. Powder Technology Vol. 184, 371-365 (2008)
Hölzer, A. and Sommerfeld, M.
- Transport characteristics of isometric non-spherical particles in turbulent flows. El Hombre y la Maquina, Ano XX, Número 30,108-117 (2008)
Lain, S. and Sonmierfeld, M.
- Lattice-Boltzmann sünulations to determine drag, lift and torque acting on non-spherical particles. Computers and Fluids, Vol. 38, 572-589 (2009)
Hölzer, A. and Sommerfeld, M.
