Experimental and numerical investigation of development, rearrangement and detachment of reactive-inert particle structures on cylindrical collectors in gaseous environment
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurde der Einfluss des Reaktivanteils in einem reaktiv-inerten Mischaerosol bzw. einer reaktiv-inerten Partikelstruktur auf die Mechanismen von Bildung, Umlagerung und Ablösung von Partikelstrukturen an einem zylindrischen Kollektor untersucht. Die Untersuchung erfolgte sowohl experimentell als auch numerisch mit dem Ziel die nachfolgenden Forschungsfragen zu beantworten: a) Welche Morphologie haben Partikelstrukturen auf dem Kollektor, die bei der gleichzeitigen Abscheidung von Partikeln aus unterschiedlichen Materialien und Größen entstehen? Bei gleichzeitiger Abscheidung von Propanruß und Glaskugeln entsteht eine große Partikelstruktur auf der Anströmseite der Faser. Diese Partikelstruktur ist größer als die Summe der Partikelstrukturen, die bei der einzelnen Abscheidung von Propanruß und Glaskugeln entstehen. Wenn zuerst Propanruß und anschließend Glaskugeln abgeschieden werden, werden die Glaskugeln auf der Anströmseite der Ruß-Dendriten abgeschieden. Im umgekehrten Fall entstehen kleine Ruß-Dendriten auf den abgeschiedenen Glaskugeln. b) Welchen Einfluss hat die Reaktion und damit die Reduktion der Partikelmasse reaktiven Materials (Ruß) durch Oxidation aus der Partikelstruktur (Ruß & Glas) auf die Ablösung vom Kollektor? Die numerischen Rechnungen und Experimente zeigen für das Stoffsystem Propanruß und Glaskugeln bei gleicher Abscheide- und Ablöse-Richtung und geringer Faserbeladung keine statistisch zuordnungsfähige und signifikante Ablöseereignisse. In den entsprechenden Experimenten konnten nur bei einer höheren Faserbeladung signifikante Ablösevorgänge vorzugsweise kleiner Partikelstrukturen kleiner 50 µm bestimmt werden. c) Wie lässt sich die genannte Abscheidung und Ablösung theoretisch beschreiben und vorausberechnen? Ein numerisches Modell wurde entwickelt, das im Stande ist, alle relevanten Aspekte der Partikelstrukturbildung und -ablösung zu beschreiben. Dieser ermöglicht es, mehrere tausend Partikeln innerhalb einer abgelagerten Partikelstruktur mit aufgelöster Oberfläche gleichzeitig zu berechnen. Numerisch konnte auch die Ablösung einzelner Glaskugeln oder Rußagglomerate beobachtet werden, welche experimentell messtechnisch nicht erfassbar waren. Zukünftige Projekte könnten die Forschungsfragen a) und b) auf weitere Partikelmaterialien wie unterschiedliche Arten von Ruß mit unterschiedlichen Eigenschaften wie Dispersität und Reaktivität ausweiten. Neben Optimierungen der Rechenzeit durch Verwendung von Grafikprozessoren (GPU) bei der gekoppelten Partikelberechnung sind weitere Optimierungen der Algorithmen, insbesondere der Datenstrukturen, der Kontaktbeschreibung sowie Kräfteberechnung mit dem Ziel einer höheren Anzahl zu betrachtender Partikel in der Simulation ist als Erweiterung der Forschungsfrage c) denkbar. Für die Betrachtung größerer Berechnungsgebiete bietet sich eine Kopplung der Immersed Boundary Methode mit einer Diskrete Elemente Methode (DEM) an, die eine deutliche Erhöhung des Feinanteils erlauben würde.
Publications
- (2021): Analytical and numerical calculation of the detachment of particle structures from fibers, Aerosol Science and Technology
Braschke, K.; Zoller, J.; Zargaran, A.; Dittler, A.; Janoske, U.
(See online at https://doi.org/10.1080/02786826.2021.1972085) - (2021): Experimental Investigation of Reactive-Inert Particulate Matter Detachment from Metal Fibres at Low Flow Velocities and Different Gas Temperatures. In: Aerosol Science and Engineering 5 (1), S. 21–31
Zoller, J.; Zargaran, A.; Braschke, K.; Meyer, J.; Janoske, U.; Dittler, A.
(See online at https://doi.org/10.1007/s41810-020-00081-3) - (2021): Morphology of particulate deposits formed on a single filter fibre by exposure to mixed aerosol flow. In: Journal of Aerosol Science 152, 105718
Zoller, J.; Zargaran, A.; Braschke, K.; Meyer, J.; Janoske, U.; Dittler, A.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2020.105718) - (2022): A Novel Apparatus for Simultaneous Laser-Light-Sheet Optical Particle Counting and Video Recording in the Same Measurement Chamber at High Temperature. In: Sensors 22, 1363
Zoller, J.; Zargaran, A.; Braschke, K.; Meyer, J.; Janoske, U.; Dittler, A.
(See online at https://doi.org/10.3390/s22041363)
