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Experimentelle & numerische Untersuchung des Pulver- & Aerosolverhaltens in einer Luftströmung

Becker, Michael :
Experimentelle & numerische Untersuchung des Pulver- & Aerosolverhaltens in einer Luftströmung.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Experimentelle & numerische Untersuchung des Pulver- & Aerosolverhaltens in einer Luftströmung - Text (pdf-Datei)
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Experimentelle & numerische Untersuchung des Pulver- & Aerosolverhaltens in einer Luftströmung
Language: German
Abstract:

In dieser Arbeit wird die Entstehung eines Aerosols aus Pulver sowohl numerisch, als auch experimentell untersucht. Ein Aerosol ist eine Suspension von festen oder flüssigen Partikeln (diskrete Phase) in einem Fluid (kontinuierliche Phase). Da Aerosole in vielen wissenschaftlichen und technischen Bereichen (wie in der Meteorologie, Pharmazie, Biologie und Physik) von immer größerer Bedeutung werden, wird es immer wichtiger, ihr Verhalten vorhersagen zu können. Hierzu wurden in dieser Arbeit die Interaktionen zwischen beiden Phasen untersucht, wobei die Interaktion zwischen den diskreten Partikeln und die zwischen den Partikeln und dem Fluid theoretisch betrachtet wurden. Auf Basis dieser Betrachtung wurde das, in einem kommerziellen computational fluid dynamic (CFD) Löser bereits integrierte Partikelmodell so erweitert, dass hohe Partikeldichten numerisch betrachtet werden konnten, wie sie z.B. in Pulvern auftreten. Um das numerisch berechnete Aerosolverhalten des entwickelten Modells mit dem Verhalten von realen Aerosolen zu vergleichen, muss das zu simulierende Pulver zuvor korrekt charakterisiert werden. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Experimente zur Charakterisierung von vier verschiedenen Pulvern durchgeführt. Hierzu wurden zum einen die Partikelgrößen und deren Form über ein automatisiertes optisches Verfahren mit Hilfe eines Mikroskops gemessen. Zum anderen wurden die tangentialen Reibungskräfte zwischen den Partikeln bestimmt. Hierbei wurden der Schüttkegel zur Bestimmung der Haftreibung und eine Scherzelle zur Bestimmung des Gleitreibungsverhaltens verwendet, wobei auch der stick-slip-Bereich zwischen Haft- und Gleitreibung näher charakterisiert wurde. Zudem sollte auch die tangentiale Bewegung des Rollens untersucht werden, die durch die Rollreibung abgebremst wird. Hierzu wurde eine schiefe Ebene entwickelt, mit deren Hilfe es möglich ist, über die Lawinengeschwindigkeit des Pulvers auf die Rollreibung zu schließen. Um die Ergebnisse der numerischen Berechnung eines Aerosols experimentell bestätigen zu können, wurden in einem Experiment die Trajektorien der Partikel im Aerosol aufgezeichnet und mit denen der berechneten Partikel verglichen. Hierzu wurde ein experimenteller Aufbau entwickelt, mit dem die Partikeldynamik in einem Windkanal durch die Aufnahme von mehrfachbelichteten Bildern mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera untersucht werden konnte. Zur Mehrfachbeleuchtung wurde ein Laser verwendet, der nach dem master oscillation power amplifier (MOPA)-Prinzip funktioniert und beliebige Lichtpulsformen erzeugen kann. Zusätzlich wurden in diesen Experimenten alle Aerosolpartikel aus dem Windkanal mit einem virtuellen Impaktor aus der Hauptströmung getrennt und mit einem optischen Partikelzähler gezählt. Anschließend wurden die Dispersion von einer Pulverschüttung und das Partikelverhalten in einer Düse und bei der Wandimpaktion experimentell und numerisch untersucht. Dabei haben sich bereits erste Übereinstimmungen zwischen dem numerischen Modell und den Experimenten gezeigt. Ein deutlicher Unterschied konnte bei der Agglomeratenstabilität beobachtet werden, die im numerischen Modell noch zu gering war und deshalb künftig weitere Kräfte, beispielsweise Kapillarkräfte hinzugezogen werden sollten. Zudem konnte aus den Experimenten ein tieferes Verständnis der Dispersion von Partikeln aus einer Schüttung gewonnen werden. Es konnte somit gezeigt werden, dass es mit diesem experimentellen Aufbau und der numerischen Berechnung mit einem komplexeren Partikelmodell möglich ist, ein tieferes Verständnis des Partikelverhaltens zu gewinnen, das in vielen wissenschaftlichen und technischen Gebieten von großer Bedeutung ist.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In this work the generation of an aerosol starting from a powder heap is investigated numerically and experimentally. An aerosol is a suspension of solid or liquid particles (discrete phase) in a fluid (continuous phase). In many scientific and technical areas (like in meteorology, pharmacy, biology and physics) the understanding of aerosols gets more and more important. Hereby it becomes necessary to predict the behavior of the aerosol and particles. Therefore the interactions between these two phases were examined in this work theoretically. This includes the interaction between the discrete particles and between the particles and the fluid. Based on this consideration a simple particle model, which was already integrated in a commercial computational fluid dynamic (CFD) solver, was enhanced to a complete new model, with which also high particle densities can be simulated. Afterwards it was possible to predict the behavior in the presence of different particle densities, from high densities in powders to small densities in single particles or agglomerates dispersed in the fluid. Afterwards the numerical results of the developed model have to be compared with the behavior of real aerosols. To advice a correct simulation, it is necessary to characterize the powder correctly. Several experiments were developed for a characterization of four different powders. On one hand an automated optical method was used to measure the size and the shape of the particles using a microscope. In addition, the tangential friction forces between the particles were determined. Therefore the angle of repose of a powder cone was measured for the determination of the static friction. A shear cell was used for the determination of the sliding friction. An additional outcome of this measurement was a detailed characterization of the stick-slip-friction modeling the transition between the static and sliding friction. Moreover, the tangential movement of rolling which is decelerated by the rolling friction should also be investigated. To characterize the rolling friction, an inclined plane was developed with which it was possible to conclude from the avalanche behavior of the powder to the rolling friction. To confirm the results of the numerical calculation of an aerosol experimentally, the trajectory of the particles in the aerosol was recorded and compared with those of the calculated particles. Therefore an experimental set-up was developed with which the particle dynamics could be investigated by photos of multiple exposed pictures of a high speed camera in a wind tunnel. To take multiple exposed pictures a laser was used, which worked on the base of the master oscillation power amplifier (MOPA) principle and can cause arbitrary light pulse forms. Additionally, all aerosol particles were separated from the main flow by a virtual impactor from the wind tunnel and counted by an optical particle counter. The dispersion of a powder bulk, which is flown around by an airstream, the particle behavior in a nozzle and at the wall impact was examined experimentally and numerically. First agreement between the numerical model and the experiments could be found. The stability of the agglomerates showed a clear difference: it was still too low in the numerical model, thus motivating the need for including additional forces, e.g. capillary forces in future. Moreover, a deeper understanding of the powder dispersion could be gained by the experiments, which is indispensable in many scientific and technical areas.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Aerosol; Partikel; Pulver; Strömung; numerische Simulation; Schüttung; Experiment
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
Date Deposited: 18 Feb 2014 14:01
Last Modified: 18 Feb 2014 14:01
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-37794
Referees: Tropea, Prof. Cameron and Luding, Prof. Stefan
Refereed: 10 December 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3779
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