Deagglomeration in turbulenten Strömungen: Partikelaufgelöste Untersuchung für detaillierte Erkenntnisse und fortschrittliche Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Breuer; Dr.-Ing. Ali Khalifa
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 573724408

Das Projekt hat zwei Ziele: 1. Die Untersuchung der Physik des fluid-induzierten Aufbrechens von kohäsiven Partikelagglomeraten im Mikrometer-Bereich in turbulenten Strömungen. 2. Die Entwicklung eines fortschrittlichen Multiskalen-Modells zur Beschreibung dieses Prozesses auf Basis der zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen. Beide Ziele stützen sich auf hochaufgelöste, partikelaufgelöste Simulationen mit bisher unerreichter Detailtiefe. Zu diesem Zweck wird eine große Anzahl vollständig aufgelöster DNS-DEM-Simulationen (Direkte Num. Simulation – Diskrete Elemente Methode) auf Basis der Immersed-Boundary-Methode durchgeführt. Diese ermöglichen die detaillierte Erfassung der Fluid-Partikel- sowie Partikel-Partikel-Wechselwirkungen über eine Vielzahl von Bruchszenarien. Variiert werden dabei sowohl die Strömungsbedingungen (relative Geschwindigkeit, Rotation, Schergradient) als auch Eigenschaften der Agglomerate (Größe, Form) und der Primärpartikel (Partikelgröße, Kohäsionskraft). Die Simulationen erlauben eine umfassende physikalische Analyse des Deagglomerationsprozesses. Durch die Untersuchung lokaler Strömungsstrukturen, Brucharten und Ablöserichtungen werden die dominierenden Mechanismen des Aufbrechens identifiziert. Die Analyse dient zugleich der Identifikation relevanter Parameter und der Bewertung vorhandener Bruchmodelle. Um die gewonnenen physikalischen Erkenntnisse in Vorhersagefähigkeiten umzusetzen, wird ein neuartiges Bruchmodell mittels maschinellen Lernens entwickelt. Im ersten Schritt werden verschiedene Verfahren auf ihre Eignung hin untersucht, wobei besonderer Wert auf interpretierbare mathematische Zusammenhänge gelegt wird. Die symbolische Regression stellt hierbei einen vielversprechenden Ansatz dar. Trainiert mittels der hochaufgelösten Daten bildet das resultierende Modell die wesentlichen Merkmale des Aufbrechens ab – darunter der Bruchbeginn, die Art des Bruches sowie die Bewegung der entstehenden Fragmente. Anders als theoriebasierte Modelle ermöglicht die Datenbank die Abbildung von Bruchvorgängen unter gleichzeitiger Einwirkung unterschiedlicher Belastungen und ist somit die Grundlage für ein vereinheitlichtes Modell aller fluid-induzierten Bruchmechanismen. Das entwickelte Modell wird in ein effizientes Euler-Lagrange-Verfahren auf Basis der Large-Eddy Simulation integriert, in dem Agglomerate als effektive Punktpartikel beschrieben werden. Damit lassen sich Strömungen mit hoher Beladung bei vertretbarem Rechenaufwand simulieren. Abschließend wird der erweiterte Rahmen auf praxisnahe Systeme wie Deagglomeratoren, Inhalatoren und Zyklonabscheider angewendet, um seine Genauigkeit und praktische Relevanz zu demonstrieren. Dieses Projekt wird das Verständnis und die Modellierung kohäsiver, partikelbeladener Strömungen deutlich verbessern, indem detaillierte physikalische Erkenntnisse mit der Entwicklung eines interpretierbaren, datenbasierten Bruchmodells kombiniert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen