Strömungs- und Mischcharakteristik in einem teilgefüllten, horizontal rotierenden Zylinder

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Carsten Schilde; Professor Dr.-Ing. Stephan Scholl
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 576320648

Ein lokal begrenzter Leistungseintrag zur Durchmischung eines Volumens begünstigt hohe Inhomogenitäten der lokalen Strömungsgeschwindigkeiten und das Auftreten hoher lokaler Scherkräfte. Diese können aufgrund der Beanspruchungswirkung bei schersensitiven Dispersphasen wie Mikroorganismen oder fragilen Kristallsystemen zu unerwünschtem Produktverhalten führen. Diesen Umstand soll eine horizontal rotierende Zylindergeometrie adressieren, die eine große benetzte Oberfläche bietet und eine hohe Gleichmäßigkeit des Leistungseintrags mit geringen lokalen Beanspruchungsspitzen erwarten lässt. Von besonderem Interesse sind Zylinder geringer Länge mit einem hohen Einfluss der bewegten Axialwände, zu den es bisher nur unzureichende Kenntnisse über die Strömung und das resultierende Mischverhalten gibt. Ziel des Vorhabens ist daher die systematische Untersuchung der sich grundlegend ausbildenden Strömung und der dominierenden Strömungsstrukturen in sehr flachen Zylindern. Insbesondere die Verteilung lokaler Energiedissipationsraten, die maximal auftretende Energiedissipation bzw. Beanspruchung, der Leistungseintrag und der Einfluss eines variablen Axialwandabstands auf die Kernströmung sollen betrachtet und die Hypothese der gleichmäßigen und schonenden Strömungsform überprüft werden. Wesentlich für den Einsatz als Reaktor ist außerdem die Interaktion mit dem Mischprozess, die lokal aufgelöst wird. Zusammen mit der Fluiddynamik werden die abgeleiteten Größen in empirische Modelle dimensionsloser Kennzahlen überführt. Dies erlaubt eine Beschreibung der fluiddynamischen und mischtechnischen Bedingungen in verallgemeinerbarer Form sowie eine prozesstechnische Auslegung und Bewertung des Zylinders. Im Anschluss an die Charakterisierung der grundlegenden Zylindergeometrie wird untersucht, inwieweit Mischelemente das Mischverhalten beeinflussen und hinsichtlich eine schonende Mischwirkung begünstigen. Basierend auf den zuvor experimentell und simulativ aufgedeckten Abhängigkeiten von betrieblichen, stofflichen und apparatespezifischen Parametern werden Zielfunktionen abgeleitet, die zur Bewertung des Mischverhaltens unter Mischelementeinsatz dienen. Durch eine Kopplung von CFD Simulation und evolutionär genetischem Algorithmus folgt eine KI-gestützte Optimierung der Elementgeometrie nach den identifizierten Zielfunktionen und eine experimentelle Realisierung und Überprüfung der ermittelten Mischelemente. Diese Arbeiten stellen die hier beantragte 1. Projektphase dar und sollen in der 2. Projektphase um den Einsatz heterogener Stoffsysteme erweitert werden. Diese adressieren die übergeordnete Bestrebung die Zylindergeometrie für schersensitive Dispersphasen einzusetzen. Dabei soll eine Betrachtung des Feststoffsuspendierens verschiedener Partikelphasen, deren lokaler Partikelkonzentrationsverteilungen, der Beeinflussung von Strömung und Leistungseintrag sowie der resultierenden Beanspruchung unter Berücksichtigung von Kollisionen der diskreten Partikel erfolgen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen