Theoretische Untersuchung zur Partikelabscheidung in rotierenden Spaltströmungen im Bereich des laminar-turbulenten Umschlags - Erarbeitung physikalischer Ersatzmodelle zur wirtschaftlicheren Optimierung von Tellerseparatoren

Für die Trennung mehrphasiger Gemische wurden eine große Palette unterschiedlicher technischer Systeme entwickelt. Unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft werden Gravitationsfelder erzeugt, die in vielen Fällen das mehrtausendfache der Erdbeschleunigung erreichen. In der mechanischen Verfahrenstechnik besitzen aus der Palette der Zentrifugen insbesondere die Separatoren eine hohe technische Relevanz. Sie erlauben umfassende, methodenorientierte Untersuchungen zur allgemeinen Modellierung von Mehrphasenströmungen auch mit Modellcharakter für fest-flüssig-Trennprozesse in der Filtration.

Durch die hohen Drehzahlen sind viele Bereiche des Separators experimentell praktisch nicht zugänglich. Moderne Verfahren der numerischen Strömungssimulation konnten jedoch in den vergangenen Jahren an vielen Stellen bereits sehr zum Verständnis der komplexen dreidimensionalen und meist instationären Vorgänge beitragen. Gleichzeitig sind jedoch zahlreiche Phänomene, insbesondere im Tellerspalt, noch nicht ausreichend genau beschrieben. Die Untersuchung vieler Detailprobleme scheiterte oft am enormen numerischen Aufwand. So ist zum Beispiel das Stabilitätsverhalten im rotierenden und durchströmten Spalt und seine Auswirkungen auf den laminar/turbulenten Umschlag noch nicht ausreichend detailliert erforscht. Auch die Berechnung realistischer Abscheidekurven wurde noch an keiner Stelle zufriedenstellend geleistet. Damit fehlen wesentliche Voraussetzungen für die numerische Optimierung der Anlagen. Im ersten Teil des vorgelegten Projektes sollen allgemeine Stabilitätskriterien für auftretende Taylor-Görtler-Wirbel im rotierenden und durchströmten Spalt umfassend untersucht und abgeleitet werden. Da diese Strömungsstrukturen in vielen Fällen den laminar/turbulenten Umschlag einleiten, enthält der erste Projektabschnitt darüber hinaus eine ausführliche Untersuchung zur Turbulenzmodellierung sowie zum laminar/turbulenten Umschlag im Spalt.
Teil zwei des Projektes behandelt die Entwicklung verbesserter Bilanzierungsalgorithmen als Vorarbeit zur Berechnung der konkreten Abscheidegradberechnung. Einbezogen werden Untersuchungen zum Verhalten der Partikel bei Wandkontakt (Anlagerungen, Versperrungen).

Die vollständige Berechnung der rotierenden Zweiphasenströmung im Separator ist aufgrund der komplexen Geometrie und der sehr engen Spalte in wirtschaftlich vertretbaren Rechenzeiten nicht machbar. Im dritten Projektteil werden deshalb neue mathematisch/physikalische Modellierungsansätze mit dem Ziel entwickelt, die enormen Rechenzeiten deutlich zu reduzieren. In sehr erfolgversprechenden Voruntersuchungen wurden hierzu bereits Grundlagen erarbeitet. Ziel ist die Entwicklung physikalischer Ersatzmodelle zur realistischen Beschreibung des Verhaltens von Trägerfluid und Partikeln im rotierenden Spalt bei gleichzeitiger Reduktion des numerischen Aufwandes, um erstmals Abscheidevorgänge in wirtschaftlich vertretbaren Rechenzeiten simulieren zu können. Bei erfolgreicher Umsetzung ist eine Rechenzeitenreduzierung von mehr als zwei Größenordnungen zu erwarten. Dies eröffnet erstmals den Weg zu parametrisierbaren Systemoptimierungen.