Numerische Simulation und experimentelle Charakterisierung der Nanopartikelbildung in Sprayflammen

Die Sprayflammensynthese bietet vielfältige Möglichkeiten für die Herstellung maßgeschneiderter Nanopartikel. Allerdings ist das Zusammenspiel zwischen Spray, Turbulenz, Phasenübergang, Prekursorzerfall, Chemie und Partikelbildung so komplex, dass das Prozessverständnis als eher rudimentär zu bezeichnen wäre. Innerhalb des SPP 1980 sollen Gesamtmodelle entwickelt werden, die ein fundamentales Verständnis des Prozesses erlauben. Das hier beantragte Teilprojekt soll folgenden Aspekte zum Gesamterfolg beitragen:- Es soll ein stochastischer Ansatz entwickelt werden, der in der Lage ist, Wechselwirkungen zwischen Flammenchemie, Prekursoren und Turbulenz unter der Berücksichtigung der stark variierenden chemischen Zeitskalen abbilden zu können. Eine Modellierung muss die Wechselwirkungen zwischen Partikeln, Trägergas und Turbulenz lokal und instantan abbilden können.- Mit Hilfe verschiedener Lasermessverfahren sollen die Randbedingungen für die genannten Simulationen experimentell ermittelt werden. So sollen die Größen und Geschwindigkeiten der Prekursor-Lösungsmittel-Tropfen nach der Zerstäubung, sowie das Strömungsfeld im SPP-Standardbrenner gemessen werden. - Die experimentelle Validierung der Simulationen soll unter anderem durch etablierte Messverfahren geschehen.- Ein zentraler Aspekt in diesem Antrag ist Entwicklung einer Methodik zur Validierung von Mechanismen zu Partikelbildung, -wachstum und -agglomeration durch die Kombinationen von laserbasierten, bildgebenden Messmethoden mit detaillierten numerischen Simulationen. In Mehrphasensystemen sind solche Methoden allein bislang nur bedingt einsetzbar, da die Signale häufig aufgrund von Quereinflüssen keine eindeutige Bestimmung von physikalischen Größen erlauben. Hier sollen deshalb die Leistungsfähigkeit der angesprochenen Kombination aus bildgebender Diagnostik und numerischen Simulationen verbessert, und auf das Gebiet der Partikeldiagnostik erweitert werden. Um trotz der vorhandenen Mehrdeutigkeiten eine sinnvolle Validierung von Modellen zu erzielen, werden bei dieser Methode synthetische Signale aus den numerischen Simulationen gewonnen, die anschließend mit den tatsächlichen, aufgezeichneten experimentellen Signalen verglichen werden können.

Numerical simulation and experimental characterization of nanoparticle formation in spray flames

Spray flame synthesis offers a wide range of possibilities for the production of customized nanoparticles. However, the interplay between spray, turbulence, phase transition, precursor decomposition, chemistry and particle formation is so complex that the understanding of the process can be described as rather rudimentary. Within the SPP 1980, overall models are to be developed that allow a fundamental understanding of the process. The sub-project applied for here is intended to contribute the following aspects to the overall success:- A stochastic approach is to be developed that is capable of mapping interactions between flame chemistry, precursors and turbulence, taking into account the strongly varying chemical time scales. Modeling must be able to depict the interactions between particles, carrier gas and turbulence locally and instantaneously - The boundary conditions for the above-mentioned simulations are to be determined experimentally using various laser measurement methods. The sizes and velocities of the precursor-solvent droplets after atomization and the flow field in the SPP standard burner are to be measured. - The experimental validation of the simulations is to be carried out using established measurement methods, among other things - A central aspect of this application is the development of a methodology for validating mechanisms for particle formation, growth and agglomeration by combining laser-based, imaging measurement methods with detailed numerical simulations. In multiphase systems, such methods alone can only be used to a limited extent, as the signals often do not allow a clear determination of physical variables due to cross-influences. For this reason, the performance of the combination of imaging diagnostics and numerical simulations mentioned above is to be improved and extended to the field of particle diagnostics. In order to achieve a meaningful validation of models despite the existing ambiguities, synthetic signals are obtained from the numerical simulations in this method, which can then be compared with the actual, recorded experimental signals.