Numerische Untersuchungen des Transportverhaltens volumetrisch aufgelöster Partikel unter komplexen Randbedingungen

Inhalt der vorliegenden Arbeit ist die numerische Berechnung des Transportverhaltens starrer, beliebig geformter Partikel in strömenden Gasen oder Flüssigkeiten. Die Besonderheit ist, dass die Partikel räumlich diskretisiert werden und somit explizit Größe und Form des Partikels dargestellt und werden. Dadurch kann der Transport sphärischer und nicht sphärischer Partikel realistisch abgebildet werden. Die Darstellung des Partikeltransports erfolgt in zwei Schritten. Zunächst wird der Strömungszustand der kontinuierlichen Phase berechnet. Daran anschließend erfolgt das Lösen der translatorischen und rotatorischen Bewegungsgleichungen für die Partikel. Die Berechnung des Strömungsfelds erfolgt mit dem kommerziellen Strömungslöser FLUENTTM, die Darstellung des Transportverhaltens sphärischer und nicht sphärischer Partikel und Partikelkollektive erfolgt mit Hilfe implementierter benutzerdefinierter Unterprogramme. Diese Unterprogramme berechnen die Translations- und Rotationsbewegung starrer Partikel durch Lösen des 2. Newtonschen Gesetzes und des Eulerschen Drehimpulssatzes. In benutzerdefinierten Unterprogrammen (UDF) wird die Strömungswiderstandskraft fundamental durch Integration der an den diskreten Oberflächenelementen der diskretisierten Partikel wirkenden Druckkräfte und viskosen Kräfte berechnet. Das translatorische und rotatorische Bewegungsverhalten wird dann für jedes Partikel im Strömungsgebiet auf Basis der ermittelten angreifenden Kräfte und Momente abgeleitet. Auf die Implementierung empirischer und halbempirischer Gesetzmäßigkeiten zur Berechnung der Strömungswiderstandskraft wird vollständig verzichtet. Aufgrund der Bewegung der Partikel werden Moving-Mesh Algorithmen benötigt, um die Positionen und Orientierungen der Partikel im Rechengebiet zu berücksichtigen. Diese Algorithmen werden durch benutzerdefinierte Unterprogramme optimiert, um bei der dynamischen Gitteradaption eine hohe Qualität der Rechenzellen zu gewährleisten. Eigene experimentelle Untersuchungen sowie Experimente aus der Literatur wurden zur Validierung der entwickelten Simulationsmethode ebenso herangezogen wie numerische Ergebnisse aus der Literatur. Dabei zeigt sich, dass die Simulationsergebnisse sowohl in 2-dimensionalen als auch in 3-dimensionalen Strömungsfeldern sehr gut mit den Vergleichsdaten übereinstimmen. Die Anwendung des entwickelten Simulationsmodells auf konkrete technische Anwendungen aus dem industriellen Umfeld zeigt auf, dass keine Beschränkung der Simulationsmethode auf akademische Spezialfälle vorhanden ist. Die technischen Anwendungen umfassen Betrachtungen zum Bewegungsverhalten von Schwebekörpern in Volumenstrommessgeräten, die Darstellung der Partikelbewegung bei hoch instationären Bedingungen in Hochdrucksystemen mit komplexer Geometrie und die Berechnung des Transportverhaltens von pneumatisch geförderten Tabletten unterschiedlicher Formund Größe.