Heteroaggregation von Nanopartikeln in konvektiven Strömungen

Projektleitung:

Prof. Dr. Andreas Kronenburg
Universität Stuttgart

Die kontrollierte Vermischung und Agglomeration verschiedener Materialien kann für die Herstellung von technisch hergestellten Nanomaterialien und deren Anwendung in verschiedenen Bereichen genutzt werden, z. B. in der Medizin (gezielte Verabreichung von Arzneimitteln, Bildgebung), im Umweltschutz (Wasserreinigung, Abscheidung von Schadstoffen), im Energiesektor (Hochleistungssolarzellen, Brennstoffzellen) und in der industriellen Fertigung (abriebfeste Beschichtungen, leichte Materialien). Diese Nanomaterialien können eine höhere Produktqualität und bessere Eigenschaften (mechanisch, chemisch, optisch, thermisch oder elektrisch) aufweisen als Einkomponentenmaterialien oder Materialien, bei denen Mischung und Agglomeration nicht sorgfältig kontrolliert werden.

Durch Flammenspray-Pyrolyse kann eine große Vielfalt von Nanomaterialien hergestellt werden. Eine innovative Doppeldüsen-Flammensprühpyrolyse (DFSP) bietet eine bessere Kontrolle der Vermischung zwischen den verschiedenen Komponenten und die Möglichkeit zur Verbesserung der Materialeigenschaften. Das Ziel dieser Arbeit ist es, solche Prozesse genau zu modellieren. Der Aufbau einer Ein-Düsen-Flammensprühpyrolyse ist in der Abbildung dargestellt. Die Simulationen umfassen Large-Eddy-Simulationen des Strömungs- und Mischungsfeldes, eine Lagrangesche Implementierung der Sprühprozesse und eine stochastische Modellierung des Verbrennungsprozesses und der Entwicklung der Partikel- und Agglomeratgrößenverteilung.

In der ersten Förderperiode lag der Schwerpunkt auf der Modellierung der Agglomerationshäufigkeit in Systemen mit bi-disperser Primärteilchenverteilung und entsprechenden Änderungen der bestehenden Ausdrücke für monodisperse Systeme. Besonderes Augenmerk wurde auf die relative Bedeutung der Brownschen und der turbulenten Vermischung und das daraus resultierende Agglomeratwachstum gelegt. Die Berechnungen beschränkten sich auf einfache geometrische Anordnungen und partikelbeladene gasförmige Strömungen. In der zweiten Förderperiode sollen realistischere Effekte wie Umstrukturierung und partielle Sinterung der Agglomerate in die Modellbeschreibung einbezogen werden. Weiterhin soll eine ganzheitliche Simulationsumgebung für den gesamten Flammspritzprozess entwickelt werden. Dies erfordert eine Dimensionsreduktion insbesondere bei der Beschreibung der Agglomeratstruktur und eine verbesserte Kopplung zwischen der gasförmigen, flüssigen und festen Phase.

Publications:

1.  A. Pandey, A. Kronenburg, “Collision frequencies across collision regimes in two-component systems”, J. Aerosol Sci., 183:106480 (2025). https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2024.106480
2.  A. Pandey, M. Karsch, A. Kronenburg, “Modelling collision frequencies and predicting bi-variate agglomerate size distributions for bi-disperse primary particle systems”, Proc. Combust. Inst., 40:105706 (2024).
3.  A. Pandey, A. Kronenburg, “Effective collision radii for bidisperse systems in the free molecular regime”, 31. Deutscher Flammentag, 27-28 Sept. 2023, Berlin, Germany.