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Light Scattering of Complex Particles: Application to the Time-Shift Technique

Li, Lingxi (2020):
Light Scattering of Complex Particles: Application to the Time-Shift Technique. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00014206,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Light Scattering of Complex Particles: Application to the Time-Shift Technique
Language: English
Abstract:

Particles with complex shapes and compositions are omnipresent in industrial processes, such as encountered in the chemical, pharmaceutical, automobile and food industries. For instance colloidal drop, i.e. drop with solid particles dispersed in them, are inherent in the spray drying process used frequently in the food industry. Thus, in order to optimize such processes, there is a need to characterize these particles in terms of size, colloidal (solid particle) concentration, the size of the inclusions and possibly also velocity. The present study addresses this need for drop characterisation and concentrates on some particular examples of complex particles: drops with single embedded spheres; drops with single embedded platelets (e.g. aluminum flakes); and drops with multiple micro- or nanoparticle inclusions (colloidal suspension drops). The characterization of a homogeneous spheroidal particle has also been studied, serving as a validation and reference case.

This thesis focuses on the light scattering of complex particles and characterization of such particles with the time-shift measurement technique. Within the scope of this study, spheroidal drops, drops with single embedded flakes or spheres, and drops with multiple spherical inclusions have been studied. According to the shape, composition and the size parameter of the particle, corresponding simulation methods have been chosen to simulate the light scattering. The ray-tracing method has been used to investigate the light scattering properties of spheroidal drop by varying its aspect ratio, and drops with single embedded flakes or spheres by varying the position of the sphere and the orientation of the flake within the drop. For drops with multiple inclusions, the polarized Monte Carlo ray-tracing method as well as the discrete dipole approximation method are used to study its light scattering properties. In addition, the time-shift signals, which are generated when the particle falls through a highly focused Gaussian beam of the time-shift instrument, have been simulated for the drops mentioned before. The goal is to investigate if the time-shift technique is able to unequivocally detect whether a drop contains a spherical particle or not, or detect if the drop contains flake. The possibility to use the time-shift technique to estimate the volume concentration of the inclusions within the drop has been studied as well.

To validate the simulation results, corresponding experiments have been conducted to obtain the raw time-shift signals by using the time-shift instrument to measure pure water drops as well as the colloidal drops, which have multiple polystyrene latex nanoparticles embedded. During the measurement, the size and the volume concentration of the nanoparticles have been varied. Subsequently, comparison has been made between the measured and simulated time-shift signals to validate the simulation results. Through signal processing, the relative scattering strength from the inclusions has been evaluated from the measured time-shift signal to estimate the volume concentration of the inclusions. The size of the inclusions is estimated through evaluation the attenuation ratio of the time-shift signal.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Partikel mit komplexen Formen und Zusammensetzungen sind in industriellen Prozessen allgegenwärtig. Sie finden in der chemischen, pharmazeutischen, Automobil- und Lebensmittelindustrie Anwedungen. Beispielsweise sind kolloidale Tröpfchen, d. H. Tröpfchen mit darin dispergierten festen Partikeln, häufig in Sprühtrocknungsprozess in der Lebensmittelindustrie von Relevanz. Um die zugehörigen technischen Prozesse optimieren zu können, besteht die Notwendigkeit, diese Partikel hinsichtlich ihrer Größe, kolloidalen Konzentration (feste Partikel), Größe der Inklusionen und möglicherweise auch ihrer Geschwindigkeit zu charakterisieren. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Tröpfchencharakterisierung unter den genannten Aspekten und konzentriert sich auf einige besondere Beispiele komplexer Partikel: Tröpfchen mit einzelnen eingebetteten Kugeln; Tröpfchen mit einzelnen eingebetteten Flocken (z. B. Aluminiumflocken) und Tröpfchen mit mehreren Mikro- oder Nanopartikelinklusionen (kolloidale Suspensionströpfchen). Die Charakterisierung eines homogenen ellipsenförmigen Partikels wird ebenfalls untersucht und dient als Validierungs- und Referenzfall.

Genauer befasst sich diese Arbeit mit der Lichtstreuung komplexer Partikel und der Charakterisierung solcher Partikel mit der Zeitverschiebungsmesstechnik. Hierbei werden kugelförmige Tröpfchen, Tröpfchen mit einzelnen eingebetteten Flocken oder Kugeln und Tröpfchen mit mehreren kugelförmigen Inklusionen betrachtet. Entsprechend der Form, Zusammensetzung und geometrischen Eigenschaften des Partikels werden entsprechende Simulationsmethoden ausgewählt, um die Lichtstreuung der Partikel zu simulieren. Das Raytracing-Verfahren wird verwendet um die Lichtstreuungseigenschaften von kugelförmigen Tröpfchen für unterschiedliche Seitenverhältnisses zu untersuchen. Bei Tröpfchen mit einzelnen eingebetteten Flocken oder Kugeln wird mittels des Verfahrens der Einfluss der Position der Kugel innerhalb des Tröpfchens und der Ausrichtung von Flocken innerhalb des Tröpfchens untersucht. Für Tröpfchen mit mehreren Inklusionen werden das polarisierte Monte-Carlo-Raytracing-Verfahren sowie die diskrete Dipole Approximation verwendet, um ihre Lichtstreuungseigenschaften zu untersuchen. Zudem werden die Zeitverschiebungssignale simuliert, welche entstehen, wenn Tröpfchen mit den zuvor genannten Eigenschaften durch einen stark fokussierten Gaußschen Strahl eines Zeitverschiebungsmessinstruments fallen. Ziel ist es zu untersuchen, ob die Zeitverschiebungsmesstechnik eindeutig erkennen kann, ob ein Tröpfchen ein kugelförmiges Teilchen oder Flocken enthält. Die Möglichkeit, die Volumenkonzentration der Inklusionen innerhalb des Tröpfchens mit der Zeitverschiebungstechnik abzuschätzen, wird ebenfalls untersucht.

Zur Validation der Simulationsergebnisse werden entsprechende Experimente durchgeführt. Hierbei werden Zeitverschiebungssignale eines reinen Wassertropfens sowie für kolloidalen Tröpfchen, in die mehrere Polystyrol-Latex-Nanopartikel eingebettet sind, unter Verwendung des Zeitverschiebungsinstruments ermitttelt. Für die Messungen werden die Größe und die Volumenkonzentration der Nanopartikel variiert. Die experimentell ermittelten Zeitverschiebungssignale werden mit denen aus Simulationen verglichen, um die Simulationsergebnisse zu validieren. Durch Signalverarbeitung wird hierbei die relative Streustärke durch Inklusionen aus dem gemessenen Zeitverschiebungssignalen bewertet, um die Volumenkonzentration der Inklusionen abzuschätzen. Die Größe der Inklusionen wird durch Auswertung des Dämpfungsverhältnisses des Zeitverschiebungssignals geschätzt.

German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
Date Deposited: 23 Nov 2020 11:18
Last Modified: 23 Nov 2020 11:29
DOI: 10.25534/tuprints-00014206
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-142069
Referees: Tropea, Prof. Dr. Cameron and Cai, Prof. Dr. Xiaoshu
Refereed: 7 October 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/14206
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