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Projekt
Einfluss von Turbulenz und Feinstruktur auf Produkt, Modellierung und Simulation
Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Andreas Kempf
Fachliche Zuordnung
Energieverfahrenstechnik
Förderung
Förderung von 2015 bis 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262219004
Eine Gesamtsimulation des Herstellungsprozesses von komplexen Nanomaterialien aus der Gasphase soll gemeinsam mit den experimentellen und diagnostischen Teilprojekten entwickelt werden. Die Aufgabenstellung verlangt eine genaue Beschreibung der chemischen Reaktionen des Prekursorzerfalls, der Oberflächenreaktionen beim Partikelwachstum, der Partikelagglomeration sowie des Einflusses von diffusivem, turbulentem und konvektivem Transport. Ferner soll die bislang kaum untersuchte Modellierung der Prozessierung der Partikel, also ihre Funktionalisierung und Beschichtung, durchgeführt werden. Erschwerend für die Beschreibung der Partikelfunktionalisierung und Beschichtung ist die Notwendigkeit, sekundäre Prekursoren schnell in die partikelbeladene Strömung einzumischen, was eine komplexe turbulente Strömung erfordert. Die laminaren Reaktoren im Labormaßstab sollen mit (vereinfachter) Reaktionskinetik direkt simuliert werden, turbulente Reaktoren im Technikumsmaßstab mit der Grobstruktursimulation (Large-Eddy-Simulation, LES). Diese löst die auftretenden Mischungszustände und Temperaturfelder räumlich und zeitlich weitgehend auf und vereinfacht so die Modellierung der ungeschlossenen Terme. Die Aerosoldynamik der zu untersuchenden Systeme verlangt ferner die Entwicklung und Implementierung geeigneter Modelle der Populationsbilanzgleichungen (PBG), ausgehend von Momenten-Methoden mit lokal monodisperser Partikelgrößenverteilung.Zum Erreichen des Ziels einer ¿erfolgreichen Gesamtsimulation¿ sollen folgende wissenschaftliche Fragestellungen beantwortet werden:a) Wie gut bilden Gesamtsimulationen mit reduzierten und monodispersen Momentenmodellendie Vorgänge in Reaktoren mit fast homogener Reaktionszone (Rohr-, Heißwand- undPlasmareaktoren) und mit dünner Reaktionszone (Flammenreaktoren) ab?b) Welche Simulationsgenauigkeit wird mit modernen Methoden (LES) auf moderner Hardware bei der Gesamtsimulation turbulenter Reaktoren tatsächlich erreicht?c) Wie genau kann die LES durch weitgehendes Auflösen der turbulenten Schwankungen realistische Partikelgrößenverteilungen mit einem monodispersen Modell vorhersagen?d) Würde ein bimodales Momentenmodell (oder eine genauere Lösung der PBG) zu einer verbesserten Modellierung turbulenter Reaktoren führen?e) Wie weit können die Erkenntnisse zu Reaktionsmechanismen und Modellen für die PBG von laminaren Reaktoren auf turbulente Reaktoren übertragen werden?Antworten darauf existieren heute noch kaum - insbesondere, da bislang ein genauer Vergleich von Gesamtsimulation und genauen Daten aus In-situ- und Ex-situ-Messungen unmöglich war. Vorhandene Erfahrungen aus der Rußmodellierung lassen sich kaum übertragen, da es dort um die Vermeidung kleinster Partikelmengen geht, also die Simulation unwahrscheinlicher Ereignisse, wobei die Partikeleigenschaften selbst von geringem Interesse sind. Die geplante Forschergruppe verspricht hier wesentliche neue Erkenntnisse für die Nanopartikel-Produktion.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
Mitverantwortlich
Dr.-Ing. Irenäus Wlokas
