Experimentelle & numerische Untersuchung des Pulver- & Aerosolverhaltens in einer Luftströmung

In dieser Arbeit wird die Entstehung eines Aerosols aus Pulver sowohl numerisch, als auch experimentell untersucht. Ein Aerosol ist eine Suspension von festen oder flüssigen Partikeln (diskrete Phase) in einem Fluid (kontinuierliche Phase). Da Aerosole in vielen wissenschaftlichen und technischen Bereichen (wie in der Meteorologie, Pharmazie, Biologie und Physik) von immer größerer Bedeutung werden, wird es immer wichtiger, ihr Verhalten vorhersagen zu können. Hierzu wurden in dieser Arbeit die Interaktionen zwischen beiden Phasen untersucht, wobei die Interaktion zwischen den diskreten Partikeln und die zwischen den Partikeln und dem Fluid theoretisch betrachtet wurden. Auf Basis dieser Betrachtung wurde das, in einem kommerziellen computational fluid dynamic (CFD) Löser bereits integrierte Partikelmodell so erweitert, dass hohe Partikeldichten numerisch betrachtet werden konnten, wie sie z.B. in Pulvern auftreten. Um das numerisch berechnete Aerosolverhalten des entwickelten Modells mit dem Verhalten von realen Aerosolen zu vergleichen, muss das zu simulierende Pulver zuvor korrekt charakterisiert werden. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Experimente zur Charakterisierung von vier verschiedenen Pulvern durchgeführt. Hierzu wurden zum einen die Partikelgrößen und deren Form über ein automatisiertes optisches Verfahren mit Hilfe eines Mikroskops gemessen. Zum anderen wurden die tangentialen Reibungskräfte zwischen den Partikeln bestimmt. Hierbei wurden der Schüttkegel zur Bestimmung der Haftreibung und eine Scherzelle zur Bestimmung des Gleitreibungsverhaltens verwendet, wobei auch der stick-slip-Bereich zwischen Haft- und Gleitreibung näher charakterisiert wurde. Zudem sollte auch die tangentiale Bewegung des Rollens untersucht werden, die durch die Rollreibung abgebremst wird. Hierzu wurde eine schiefe Ebene entwickelt, mit deren Hilfe es möglich ist, über die Lawinengeschwindigkeit des Pulvers auf die Rollreibung zu schließen. Um die Ergebnisse der numerischen Berechnung eines Aerosols experimentell bestätigen zu können, wurden in einem Experiment die Trajektorien der Partikel im Aerosol aufgezeichnet und mit denen der berechneten Partikel verglichen. Hierzu wurde ein experimenteller Aufbau entwickelt, mit dem die Partikeldynamik in einem Windkanal durch die Aufnahme von mehrfachbelichteten Bildern mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera untersucht werden konnte. Zur Mehrfachbeleuchtung wurde ein Laser verwendet, der nach dem master oscillation power amplifier (MOPA)-Prinzip funktioniert und beliebige Lichtpulsformen erzeugen kann. Zusätzlich wurden in diesen Experimenten alle Aerosolpartikel aus dem Windkanal mit einem virtuellen Impaktor aus der Hauptströmung getrennt und mit einem optischen Partikelzähler gezählt. Anschließend wurden die Dispersion von einer Pulverschüttung und das Partikelverhalten in einer Düse und bei der Wandimpaktion experimentell und numerisch untersucht. Dabei haben sich bereits erste Übereinstimmungen zwischen dem numerischen Modell und den Experimenten gezeigt. Ein deutlicher Unterschied konnte bei der Agglomeratenstabilität beobachtet werden, die im numerischen Modell noch zu gering war und deshalb künftig weitere Kräfte, beispielsweise Kapillarkräfte hinzugezogen werden sollten. Zudem konnte aus den Experimenten ein tieferes Verständnis der Dispersion von Partikeln aus einer Schüttung gewonnen werden. Es konnte somit gezeigt werden, dass es mit diesem experimentellen Aufbau und der numerischen Berechnung mit einem komplexeren Partikelmodell möglich ist, ein tieferes Verständnis des Partikelverhaltens zu gewinnen, das in vielen wissenschaftlichen und technischen Gebieten von großer Bedeutung ist