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Simulation of Turbulent Particle-laden Flows and their Electrostatic Charging
Explosionsschutz 16
ISBN/EAN: 9783956065132
Umbreit-Nr.: 9501013
Sprache:
Englisch
Umfang: 64 S., 27 farbige Illustr., 27 Illustr.
Format in cm:
Einband:
kartoniertes Buch
Erschienen am 08.06.2020
Auflage: 1/2020
- Zusatztext
- Die Dynamik von Partikeln spielt in vielen natürlich vorkommenden Strömungen sowie in industriellen Anwendungen eine bedeutende Rolle. Die vorliegende Arbeit fasst die numerischen Untersuchungen des Autors bezüglich turbulenter partikelbeladener Strömungen zusammen. Zunächst beginnt die Vorstellung der Forschung mit der numerischen Modellierung der Partikelproduktion durch Sprühtrocknung. Dazu gehört die Simulation eines Zweikomponentensprays mithilfe der Direct Quadrature Method of Moments und dem Prozess der Partikelbildung. Hierbei lag der Fokus auf der Vorhersage der Trocknungskinetik und der daraus resultierenden Partikelgröße und -morphologie. Es wurde festgestellt, dass Zweikomponententröpfchen qualitativ unterschiedlich trocknen, abhängig davon, ob sie Temperaturen unterhalb oder oberhalb der Siedetemperatur der jeweiligen Flüssigkeit ausgesetzt sind. Daher wurde ein neues Modell vorgeschlagen, dass das Sieden der Flüssigkeit und den möglichen Aufbruch der Partikelkruste aufgrund des erhöhten Innendrucks berücksichtigt. Die Handhabung des erzeugten Pulvers führt häufig zu einer Akkumulation elektrostatischer Ladung, die die Betriebssicherheit von Anlagen gefährden kann. Um einen Einblick in den Aufladungsprozess zu erhalten, simulierte der Autor den pneumatischen Transport von Partikeln in einer wandnahen Strömung. Zur Vorhersage des Ladungsaustauschs zwischen einem Teilchen und einer festen Oberfläche während des Aufpralls wurde das sogenannte Kondensatormodell implementiert. Dieses Modell wurde anschließend erweitert, um die Berechnung des praxisrelevanten Falls von Partikeln mit nicht leitfähiger Oberfläche zu ermöglichen. Hier führt die Immobilität der Ladungsträger zu einer ungleichmäßigen Ladungsverteilung auf der Partikeloberfläche, von der gezeigt wurde, dass sie das Aufladeverhalten des Partikels stark beeinflusst. Anschließend wurden Grobstruktursimulationen durchgeführt, um Konstruktionsparameter für Transportrohre vorzuschlagen, die darauf abzielen, die Pulverladung zu reduzieren und um die Abhängigkeit der Aufladung von den Partikeleigenschaften zu untersuchen. Es wurde gezeigt, dass die elektrische Ladung des Pulvers durch Verringerung der Förderluftgeschwindigkeit, die Verwendung größerer Rohre und die Anwendung eines höheren Massendurchflusses deutlich verringert werden kann. Auch die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Partikel sind vielversprechende Maßnahmen, um die Ladung des Pulvers zu steuern. In Bezug auf die Mechanismen des Ladungstransfers in Fluid-Feststoff-Gemischen ergaben direkte numerische Simulationen von Kanalströmungen, dass Ladung entweder durch konvektive Bewegung oder während Kollisionen zwischen Partikeln transportiert wird. Abschließend werden die Studien des Autors über die Modulation turbulenter partikelbeladener Rohrströmungen unter Einfluss elektrostatischer Ladungen skizziert. Für die effiziente und genaue Berechnung der Wechselwirkung zwischen geladenen Teilchen wurde ein Hybridalgorithmus formuliert, der die Vorteile des Gauß'schen und des Coulomb'schen Gesetzes kombiniert. Bei Verwendung dieses Algorithmus wurde festgestellt, dass elektrostatische Kräfte dazu neigen, die Partikelkonzentrationsprofile über den Rohrquerschnitt zu glätten. Außerdem wird die Strömung stabilisiert, was sich in der Verringerung der Geschwindigkeitsschwankungen der Teilchen äußert. Diese Zusammenfassung soll die Motivation für die durchgeführte Forschung, deren physikalische Grundlagen und die Verbindungen zwischen den verschiedenen Veröffentlichungen und dem aktuellen Stand der Wissenschaft darstellen. Außerdem werden die wichtigsten Ergebnisse diskutiert. Details zu den mathematischen Modellen, numerischen Methoden und den Ergebnissen sind in den jeweiligen Publikationen enthalten. Schlagwörter: numerische Strömungsdynamik, partikelbeladene Strömungen, Simulation, Sprühtrocknung, Elektrostatik