2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16625In diesem Projekt soll die Partikeldynamik in dichten gescherten Gas-Feststoff-Strömungen unter trockenen und feuchten Bedingungen am Beispiel einer Rotor-Wirbelschicht beschrieben werden. Um die Gas-Partikel-Strömung zu simulieren wird die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) mit der Numerischen Strömungsmechanik (CFD) gekoppelt, wobei die Magnetische Partikel-Detektierung (MPT) der Validierung der Simulationen dienen soll. Der Einsatz der DEM basierten Simulationen soll einen detaillierten Aufschluss über die Partikeldynamik, -beanspruchung und -wechselwirkungen (z.B. Partikelrotation, Kollisionskräfte, -frequenzen, oder -geschwindigkeiten) liefern. Es sollen mathematische Modelle, die den Einfluss von Prozess- und Materialparametern auf die Partikeldynamik bei der Granulation bzw. Beschichtung beschreiben, entwickelt und in DEM implementiert werden. Das zentrale Element dieses Forschungsvorhabens ist die Charakterisierung des Einflusses des Vorhandenseins einer Flüssigkeit auf die Dynamik der Partikelströmung mittels der experimentell validierten Simulationen. Ein Flüssigkeitsbrückenmodell, welches die kapillaren und viskosen Kräfte enthält, die zwischen den benetzten Partikeln bei geradem und schiefem Stoß wirken, soll entwickelt und in DEM implementiert werden. Das zur experimentellen Erfassung der dreidimensionalen Partikelbewegung einzusetzende MPT-Messsystem stellt ein in hohem Maße innovatives und neuartiges Verfahren zur Charakterisierung und zum Monitoring von dichten Partikelströmungen dar. Bisher konnten Partikelbewegungen in diesen Strömungen nur sehr schwierig und mit einem sehr hohen apparativen Aufwand, wie beim Positron Emission Particle Tracking (PEPT), erfasst werden. Mit der MPT-Methode können erstmalig nicht nur Partikelgeschwindigkeiten und -beschleunigungen sondern auch die Partikelrotation (sowohl bei kugelförmigen als auch nicht kugelförmigen Partikel) detektiert werden, welche mit anderen verfügbaren Methoden nicht messbar ist oder nur unzureichend aufgelöst werden kann. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens soll der bisher mit der MPT-Methode erfassbare Messbereich um kleinere Partikelgrößen erweitert werden. Dies erfolgt durch konstruktive Veränderungen am Messaufbau und eine verbesserte Abschirmung gegen externe Magnetfelder, inklusive gegen das Erdmagnetfeld. Es sollen Markerpartikel mit möglichst gut an die Bettpartikel angepassten physikalischen Eigenschaften mittels einer Wirbelschicht-Beschichtung hergestellt und in Messungen verwendet werden. Anhand von weiteren Laborexperimenten (Sprühgranulation und Beschichtung) sollen die aus den Simulationen und experimentellen Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse hinsichtlich des Granulatwachstums und der Beschichtungsqualität bewertet werden.In this project, the particle dynamics in dense sheared granular flows should be described by taking the example of a rotor granulator. For this aim the gas-particle flow will be characterized by means of the Discrete Element Method (DEM) coupled with the Computational Fluid Dynamics (CFD), whereby the Magnetic Particle Tracking (MPT) will be used for the validation of the simulations. The application of DEM based simulations will provide a detailed insight in the particle dynamics, interactions and mechanical stresses (e.g. particle rotation, collision velocities, forces and frequencies). Mathematical models describing the influence of process and material parameters on the dynamics of single particles in the granulation and coating should be developed and implemented in the DEM. The central element of this project is the characterization of the influence of the presence of a liquid on the particle dynamics by experimentally validated simulations. A liquid bridge model, which contains the capillary and viscous forces acting between wetted particles during normal and oblique impacts, should be developed and implemented. The MPT method, used for the capturing of the three-dimensional movement of the particles, is a highly innovative method for characterization and monitoring of dense granular flows (for spherical and non-spherical particles). So far, the particle movement in dense granular flows could be well characterized with very expensive experimental setups, such as Positron Emission Particle Tracking (PEPT). With the MPT method, used in this project, for the first time not only particle velocities and accelerations, but also the particle rotation can be measured, which cannot be captured or sufficiently resolved with other available methods. The measuring range of the MPT has to be extended to smaller particle sizes. This will be achieved by redesign of the measurement set-up and improved shielding against external magnetic fields, including the earth's magnetic field. Marker particles with properties tailored to physical properties of bed particles should be manufactured by means of fluidized bed coating and used in the measurements. On the basis of spray granulation and coating experiments the results from the simulations and experimental studies will be evaluated with respect to the granule growth rate and the coating quality.