Passive scalar interface in a spatially evolving mixing layer (A. Attili and D. Denker)

Quartz nozzle sampling (D. Felsmann)

Dissipation element analysis of a planar diffusion flame (D. Denker)

Turbulent/non-turbulent interface in a temporally evolving jet (D. Denker)

Dissipation elements crossing a flame front (D. Denker and B. Hentschel)

Particle laden flow (E. Varea)

Turbulent flame surface in non-premixed methane jet flame (D. Denker)

DNS of primary break up (M. Bode)

Diffusion flame in a slot Bunsen burner (S. Kruse)

Various quantities in spatially evolving jet diffusion flame (D. Denker)

Grundlagen

Die Sprayflammensynthese ist ein vielversprechender Ansatz für die Herstellung funktionaler Nanopartikel von denen große Fortschritte in der Entwicklung von beispielsweise Batterien oder Katalysatoren erwartet werden. Im Vergleich zu existierenden großtechnischen Gasphasenprozessen bietet die Sprayflammensynthese eine höhere Vielfalt an Materialsystemen und eine gute Skalierbarkeit. Die großtechnische Umsetzung scheitert jedoch zurzeit an einem unzureichenden Prozessverständnis. Im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms SPP1980 sollen diese Herausforderungen in einem interdisziplinären Ansatz überwunden und die Grundlagen für eine industrielle Verbreitung geschafft werden. Eng verwandte Teilprozesse der Sprayflammensynthese wurden in den letzten Jahren erfolgreich in den Fachdisziplinen untersucht und eine Fülle an experimenteller, simulativer und theoretischer Instrumentarien entwickelt. Im Schwerpunktprogramm werden diese Methodiken zusammengeführt, um die einzelnen Teilprozesse zu analysieren und in ein Gesamtmodell einzuordnen. Dadurch soll ein umfassendes Prozessverständnis geschafft werden.

Ein essentieller Teilprozess der Sprayflammensynthese ist die Zerstäubung der Präkursorlösung. Die Zerstäubung bildet den ersten Teilprozess in der Wirkkette und stellt die Tropfenphase bereit. Über die Verdunstung der Tropfen, der turbulenten Durchmischung mit dem Dispersionsgas und die anschließende Verbrennung, nimmt die Zerstäubung direkt oder indirekt Einfluss auf die lokalen Bedingungen (z.B. Temperatur, Gaszusammensetzung, Geschwindigkeitsfluktuationen). Diese lokalen Bedingungen beeinflussen wesentlich die Partikelsynthesemechanismen, sodass die Zerstäubung ein Freiheitsgrad zur Steuerung und Optimierung der Partikelprodukteigenschaften darstellt. Um dies zu nutzen ist jedoch ein hinreichendes Verständnis von dem Einfluss der Zerstäubung auf die Partikelsynthese notwendig.


Methoden

Um den Einfluss der Zerstäubung auf die Partikelsynthese numerisch zu untersuchen, wird ein Simulationsansatz gewählt der die gesamte Wirkkette der Sprayflammensynthese umfasst. Die verwendeten Methoden richten sich jeweils an die relevanten Längen- und Zeitskalen der Teilprozesse. Die Düseninnenströmung wird mit Large-Eddy Simulationen charakterisiert während der Primärzerfall mit Phasengrenzen aufgelösten direkten numerischen Simulationen untersucht wird. Weiter Stromabwärts werden Tropfenverdunstung, Durchmischung, Verbrennung und Partikelbildung mit Large-Eddy Simulationen unter der Verwendung von einem Langrangen-Spray Modell, einem turbulentem Verbrennungsmodell und einem statistischen Partikelmodell analysiert.