Modellierung, Simulation und Parametrisierung der Partikelbildung, funktionalisierung und -interaktion in Synthesereaktoren

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer Gesamtsimulation des Herstellungsprozesses von komplexen Nanomaterialien aus der Gasphase in enger Kooperation mit den experimentellen und diagnostischen Teilprojekten. Die Aufgabenstellung verlangt eine genaue Beschreibung der chemischen Reaktionen des Prekursorzerfalls, der Oberflächenreaktionen beim Partikelwachstum, der Partikelagglomeration sowie des Einflusses von diffusivem, turbulentem und konvektivem Transport.

Die hier vorgeschlagenen Arbeiten sollen an das bisherige Projekt TP9 anschließen und auf den bereits erzielten Ergebnissen aufbauen. Während der Fokus des zurückliegenden Projektes auf der Simulation laminarer Laborskalen-Prozesse bei reduziertem Druck lag, widmet sich die zweite Periode der Gesamtsimulation eines Pilotskalen-Prozesses. Entsprechend wird vor allem die Partikeldynamik-Turbulenz-Wechselwirkung ergänzend und in Analogie zu der relativ gut untersuchten Chemie-Turbulenz-Wechselwirkung erforscht. Die Oberflächenfunktionalisierung der primär gebildeten Partikel durch Oberflächenreaktionen, heterogene Kondensation und Anlagerung sekundär gebildeter Partikel soll in diese Betrachtung einbezogen werden. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit, Modelle zu entwickeln, die die mikroskopischen Mischungsvorgänge ausreichend genau beschreiben und gleichzeitig den thermochemischen Zustand der die Partikel umgebenden Atmosphäre liefern.

Das Konzept der Grobstruktursimulation (Large-Eddy Simulation, LES) der Turbulenz ist die Grundlage für alle in diesem Projekt zu entwickelnden Modelle und Methoden. Im Gegensatz zu den in der technischen Anwendung etablierten, zeitgemittelten Methoden (Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS), liefert die LES die auftretenden Mischungszustände und Temperaturfelder weitgehend räumlich und zeitlich aufgelöst und vereinfacht somit die Modellierung der ungeschlossenen Terme erheblich. Die Aerosoldynamik der zu untersuchenden Systeme verlangt ferner die Entwicklung und Implementierung geeigneter Modelle der Populationsbilanzgleichungen für multivariate Partikelgrößenverteilungen, ausgehend von  Momenten-Methoden mit lokal monodisperser Partikelgrößenverteilung.

Die Notwendigkeit einer so detaillierten Betrachtung folgt unter anderem aus den in der ersten Förderperiode gewonnen Erfahrungen (Mikrowellen-Plasma-Reaktor in TP3 und TP6) und Erkenntnissen über die Struktur der partikelbildendenden Flamme (in Kooperation mit TP7 und dem assoziierten Gast Igor Rahinov, Tel Aviv). Beide Ergebnisse stehen hier exemplarisch für die Hauptherausforderungen der kommenden Förderperiode: Die Beschreibung einer komplizierten Flammenstruktur in existierenden Modellen der Chemie-Turbulenz Interaktion und die darauf basierende Entwicklung einer validen Beschreibung der Partikeldynamik-Turbulenz-Wechselwirkung.

Projektleitung:

Prof. Dr.-Ing. Andreas Kempf
Universität Duisburg-Essen
Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Tel.: +49 203 379-8103
E-Mail: andreas.kempf@uni-due.de
http://www.uni-due.de/ivg/fluiddynamik/

Dr.-Ing. Irenäus Wlokas
Universität Duisburg-Essen
Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Tel.: +49 203 379-8104
E-Mail: i.wlokas@uni-due.de
https://www.uni-due.de/ivg/fluiddynamik/