Verfahrenstechnik

M.Sc.

Janna Grabowski

Wissenschaftliche Mitarbeiterin

janna.grabowski@tu-berlin.de

Raum ACK 174c
Adresse Ackerstr. 76
13355 Berlin

Systematische Bewertung und Weiterentwicklung von Coarse-Graining-Ansätzen für die Diskrete Elemente Methode zur Modellierung von fluidisierten Partikelsystemen

Die Kopplung von numerischer Strömungssimulation (CFD) und der Diskreten Elemente Methode (DEM) unter Zuhilfenahme von Coarse- Graining-Methoden zu CFD-CGDEM ist ein relativ neues effizientes numerisches Verfahren zur Simulation von kombinierten Partikel/Fluid-Strömungen. Basierend auf der DEM wird eine frei wählbare Anzahl von Partikeln zu jeweils einem repräsentativen Parcel zusammengefasst. Dies reduziert die Anzahl der zu verfolgenden Partikel signifikant, was die Berechnungszeit entsprechend verkürzt und die Methode für die Berechnung von industrierelevanten Problemstellungen interessant macht. Wie bei der DEM werden die Trajektorien der Parcel durch Lösen der newtonschen Gesetzte unter Verwendung entsprechender Kontakt- und Fluidinteraktionsmodelle berechnet. Die Partikel-Partikel-, Partikel-Wand- und Partikel-Fluid-Interaktionskräfte müssen aus Gründen der Energieerhaltung bzw. aus ähnlichkeitstheoretischen Überlegungen heraus skaliert werden. In der Vergangenheit sind eine Vielzahl von Skalierungsvorschriften entwickelt worden, wobei ein systematischer Vergleich dieser bisher nicht stattgefunden hat.

Dieses DFG-Projekt wird die existierenden Skalierungsansätze vergleichen und untersuchen, welcher der Ansätze bei größer werdenden Skalierungsfaktoren, die bisher Schwierigkeiten bereiten, akkurate Ergebnisse liefert. Erste Voruntersuchungen haben gezeigt, dass das Verhältnis von charakteristischer Reaktorabmessung zu Parceldurchmesser einen kritischen Wert nicht unterschreiten sollte. Mithilfe eines adaptiven Coarse-Graining-Ansatzes, welcher es erlaubt in geometrisch engen und weiten Bereichen unterschiedliche Skalierungsfaktoren einzusetzen, wird exemplarisch untersucht, inwieweit ein solches Verfahren den Einsatz von CFD-CGDEM auch in technisch wichtigen Reaktoren mit geometrisch engen Einbauten ermöglicht.

Bei der DEM gibt es bzgl. der Gitterweite die Voraussetzung, dass diese größer als der Parceldurchmesser sein muss. Einhergehend mit dem Coarse-Graining kommt es daher zur Vergröberung des Rechengitters. Es wird geprüft, ob Methoden, die die Einschränkung hinsichtlich der notwendigen Gitter-größe aufheben, die Genauigkeit der CFD-CGDEM erhöhen. Zusätzlich wird untersucht, ob eine Modellierung der Mesoskaleneffekte durch gefilterte Drag-Modelle die Ergebnisqualität bei großen Skalierungsfaktoren positiv beeinflusst.

CFD-CGDEM ist bisher kaum für die Simulation von polydispersen Systemen verwendet worden. Anhand eines bi-dispersen Systems wird geprüft, ob CFD-CGDEM das Segregationsverhalten sowohl im mechanisch angeregten als auch im fluidisierten System korrekt wiedergeben kann. Zum Ende des Projekts wird basierend auf den entwickelten Methoden anhand eines komplexen industrienahen Anwendungsfalls die Frage beantwortet, ob CFD-CGDEM eine effiziente und akkurate Methode für die Simulation von partikulären Systemen im Industriemaßstab sowohl für mono- als auch bi-disperse Systeme ist und in welchem Rahmen sie sich einsetzen lässt.

Publikationen

2020

Rusli, S.; Grabowski, J.; Drews, A.; Kraume, M.
A Multi-Scale Approach to Modeling the Interfacial Reaction Kinetics of Lipases with Emphasis on Enzyme Adsorption at Water-Oil Interfaces
Processes, 8 (9) :1082
2020