Sectional-based PBE-MMC-LES methodology for simulating flame synthesis of particulates with fractal morphology

Abstract

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer effizienten Methodik zur Simulation der Flammensynthese von Partikeln mit fraktaler Morphologie unter Verwendung einer dünn besetzten Lagrange-Partikelmethode. Die Flammensynthese umfasst die Vorläuferchemie in der Gasphase und Aerosolprozesse wie Partikelbildung, Oberflächenwachstum und Agglomeration. Die Flammensynthese zur Herstellung von Partikeln ist in der Industrie weit verbreitet. So werden beispielsweise Partikel mit fraktaler Morphologie in der chemischen Industrie zur Herstellung von Farbstoffen und Pigmenten, in der Medizintechnik zur Herstellung von Pharmazeutika und in der Halbleiterindustrie zur Herstellung von Wafern verwendet. Die ständig steigenden Anforderungen in Hinblick auf die fraktale Form, Größe und chemische Reinheit stellen enorme Anforderungen an den Herstellungsprozess. Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist es notwendig, den Entstehungsprozess zu verstehen. Eine schnelle und erschwingliche Möglichkeit, Einblick in die thermophysikalischen Vorgänge bei der Partikelbildung zu erhalten, ist der Einsatz numerischer Simulationsverfahren, die helfen, valide Vorhersagen zur Optimierung des Herstellungsprozesses zu treffen. Mit den derzeit zur Verfügung stehenden Simulationsverfahren zur Simulation von turbulenten Partikelbildungsprozessen sind für reale Probleme industrieller Dimensionen, die häufig in reaktiven turbulenten Strömungen auftreten, nur mit enormem Rechenaufwand zu realisieren. In der vorliegenden Arbeit wird ein dünn-besetztes, stochastisches Lagrange-Partikelverfahren als eine effiziente Methode für die numerische Simulation der Aerosoldynamik vorgestellt. Im Vergleich zu konventionellen Ansätzen werden mit dieser Methode qualitativ gleichwertige Ergebnisse bei deutlich geringerem Rechenaufwand erzielt. Es ist von eminenter Bedeutung, das neu entwickelte Simulationsverfahren zu validieren und zu beweisen, dass die Methode in der Lage ist, ein breites Spektrum möglicher Anwendungsbereiche abzudecken. Zunächst werden dazu die grundlegenden methodischen und numerischen Prinzipien vorgestellt. Weiterhin werden die Modelle zur Modellierung von Aerosolprozessen und zur numerischen Behandlung von reaktiven turbulenten Strömungen vorgestellt. Die Darstellung umfasst die Beschreibung einer sehr effizienten dünn besetzten stochastischen Partikelmethode, der sogenannten verallgemeinerten Form des Multiple Mapping Conditioning (MMC) Modells. Zusätzlich werden die Modelle zur Beschreibung der Entstehung, des Größenwachstums und der Agglomeration von Partikeln mit fraktaler Morphologie detailliert erläutert. In dieser Arbeit wird die Partikelgrößenverteilung mit einer sektionalen Methode beschrieben, die weitaus effizienter als eine direkte Monte-Carlo-Methode und genauer als der übliche Ansatz mittels einer momentbasierten Methode ist. Es wird weiterhin gezeigt, wie diese Modelle mit der verallgemeinerten Form der MMC-Methode gekoppelt werden können. In einem ersten Schritt werden Ergebnisse in Bezug auf die erste Simulation der gesamten turbulenten Sandia-DME-Flammenserie vorgestellt, die zeigen, dass die MMC-Methode Trends mit einem einzigen allgemeingültigen Satz an numerischen Parametern korrekt für eine Flamme ohne Partikel vorhersagen kann. Dies ist hervorzuheben, da viele gute Ergebnisse im Bereich der Simulation turbulenter reaktiver Flammen bislang nur dann erzielt werden konnten, wenn die numerischen Parameter an die untersuchte Flammenkonfiguration angepasst werden. Simulationsergebnisse, die mit einem neu entwickelten stochastischen Partikelmischungszeitskalenmodell erzielt werden, zeigen, dass die implementierten numerischen Methoden sowohl für bedingte als auch für unbedingte Mittelwerte eine ausgezeichnete Vorhersagegenauigkeit erreichen können. Anschließend beinhaltet eine Diskussion der Ergebnisse eine Quantifizierung der Fehler, die sich ergeben würden, wenn für die Aerosolprozesse die Beiträge unterhalb der Filterweite nicht berücksichtigt würden, wodurch gezeigt werden kann, dass diese keineswegs vernachlässigbar sind. Diese Quantifizierung konnte anhand einer numerischen Studie einer Strahlströmung durchgeführt werden, in der es durch die Vermischung eines heißen Strahls mit einer kalten Hüllströmung zur Nukleation und Kondensation von kleinen Flüssigkeitstropfen kommt. Hier wird gezeigt, dass Wechselwirkungen zwischen Turbulenz und Nukleation die gemittelten Nukleationsraten um mehr als 250\% variieren lassen können. In einem dritten Schritt werden Simulationsergebnisse einer speziell für diese Untersuchung entwickelten Flammenkonfiguration diskutiert. Hier strömt ein turbulenter kalter mit Silan versehener Freistrahl in einen heißen sauerstoffhaltigen Hüllstrom. Die numerischen Daten werden mit experimentell gewonnenen optischen Meßwerten verglichen. Verschiedene Randbedingungen, wie die Vorläuferkonzentration, die Temperatur des Hüllstroms und die Reynoldszahl des Freistrahls, wurden sowohl im Experiment, als auch für die Simulationen variiert, um den Bereich der Einflussfaktoren zu erweitern. Die numerischen Ergebnisse liefern eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Signalen, und es wird gezeigt, dass die Anwendung eines stochastischen PDF-Modells, das die Chemie und die Aerosolprozesse mit einer sektionalen Methode an einer realen Flammenkonfiguration in Laborgröße simuliert, die Trends zufriedenstellend reproduzieren kann. Eine abschließende Diskussion zeigt verbleibende Unsicherheiten auf und weist auf eine Reihe möglicher Pfade der Entwicklung für zukünftige wissenschaftliche Untersuchungen hin.