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Bildungsdynamik von Heteroaggregaten in der dispersen Phase – Modellierung, Simulation und Experimente

Bildungsdynamik von Heteroaggregaten in der dispersen Phase – Modellierung, Simulation und Experimente
Schematische Zusammenfassung der experimentellen Arbeitspakete E1 und E2 mit ausgewählten Ergebnissen aus früheren, verwandten Simulationen. (a) Hardware für den lautsprechergepulsten laminaren Strom, den ohne Verbrennung betriebenen "Yale-Brenner", (b) Ebenenschnitt durch den entstehenden Roll-up-Wirbel. Die schwarze Kurve zeigt eine repräsentative Mischungsbruchkontur - in der Realität sorgt die Diffusion für einen "glatten" Übergang zwischen den beiden Trägergasen.

Projektleitung:

Professor Dr. Sebastian Kaiser
Universität Duisburg-Essen

Dr.-Ing. Irenäus Wlokas
Universität Duisburg-Essen

Heteroaggregate sind Partikelkomposite aus zwei oder mehr Phasen. Das Mischen von Aerosolen, entweder „kalt“ aus Pulvern oder direkt aus dem Produktstrom der Gasphasensynthese, ist eine mögliche Herstellungsroute. Im Fall von Nanopartikeln ist die Beobachtbarkeit im Prozess durch deren Größe limitiert, und als disperse Phase sind ihre Transportkoeffizienten eine Herausforderung für die Simulation.

Das Projekt untersucht das Mischen von Aerosolströmen und die anschließende Heteroaggregation von Nanopartikeln in Strömungsexperimenten mit laserdiagnostischen Verfahren sowie in numerischer Simulation des Transports und der Partikeldynamik.

Um die physikalischen Zusammenhänge näher zu untersuchen entwickeln wir (i) optisch bildgebende in situ Diagnostik zur quantitativen Bewertung der Mischungsqualität und der Entwicklung der Heteroaggregate sowie (ii) Modelle von Transport, Mischung und Partikeldynamik. Die Methoden und Modelle müssen einen sehr breiten Skalenbereich abdecken: Konvektion, turbulente Mischung und Diffusion (oft auch als Makro-, Meso- und Mikromischung bezeichnet). Die Experimente liefern Validierungsziele für Modellentwicklung und Simulation, während komplementäre Simulationen Einblicke in messtechnisch unzugängliche Skalen und Größen erlauben. Die untersuchte Aerosolströmung ist ein koaxialer Strahl, beladen mit jeweils einer Partikelsorte. In der ersten Projektphase ist der Strahl laminar mit einem reproduzierbaren Wirbelring (im Experiment erzeugt durch eine periodische Modulation des Zuflusses durch einen Lautsprecher). Forschungsgegenstand sind sowohl die Mischung beider Gasphasenkomponenten als auch der Aerosolströme und die damit verbundene Heteroaggregation in ihrem räumlich-zeitlichen Verlauf im sich entwickelnden Wirbelring.

Der Mischungsbruch wird in quantitativer Laser-Lichtschnitt-Bildgebung gemessen durch Fluoreszenz gasförmiger Markermoleküle im Gasstrahl. Die Partikel bestehen aus photoaktiven, anorganischen Stoffen (Phosphore), so dass ihre Anzahldichte stoffspezifisch durch Photolumineszenz abgebildet werden kann. Die Untersuchung der Heteroaggregation wird mit einem neuen Verfahren untersucht, das auf dem durch Laser-Heizen angeregten Wärmeübergang von kleinen Rußpartikeln auf das photolumineszente Trägerpartikel basiert. Die Simulationen basieren auf der finite-Volumen-Diskretisierung der Erhaltungsgleichungen für die disperse Phase und die Gasphase. Die Strömungsgleichungen werden mit der Populationsbilanzgleichung (PBE) gekoppelt gelöst. Das Projekt untersucht mehrere Ansätze zur numerischen Lösung der PBE: Momenten-Methoden, sektionale Methoden und stochastische Verfahren. Neue Ansätze werden entwickelt, um die große Skalenbreite in der Partikeldiffusion und ihre Wechselwirkung mit der Partikeldynamik zu beherrschen.