Experimentelle Untersuchung von Strömungsfeldern in den Zwischenräumen von Schüttgutpartikeln mit Raytracing-basierter Rekonstruktion

Das Strömungsverhalten der Gasphase in einer Schüttschicht hat wichtige Auswirkungen auf die im Bett stattfindenden Stoff- und Energietransportprozesse. Es ist daher auch ein zentraler Parameter für die Prozessoptimierung solcher Systeme. Derzeit gibt es jedoch nur sehr wenige Daten über die Gasströmung in Schüttbetten, da der Zugang zu den Partikelzwischenräumen sowohl mit sondenbasierten als auch mit optischen Messmethoden sehr schwierig ist. Darüber hinaus wurden die vorhandenen Ergebnisse in der Regel durch Brechungsindexanpassung gewonnen und sind daher auf Flüssigkeiten beschränkt. Für gasförmige Strömungen liegen hauptsächlich Schlussfolgerungen vor, die mit Hilfe der Ähnlichkeitstheorie gewonnen wurden, was den möglichen Anwendungsbereich einschränkt.

In diesem Projekt erweitern wir die optische Particle Image Velocimetry (PIV) der Geschwindigkeitsfelder in der Gasphase innerhalb gepackter Betten um Raytracing-Rekonstruktionen. Dazu verwenden wir Betten, die aus transparentem Schüttgut bestehen, so dass die Bestimmung des Geschwindigkeitsfeldes durch eine numerische Simulation der Lichtausbreitung durch das Bett unterstützt werden kann. Die Simulation wird mit Raytracing durchgeführt, und die daraus resultierenden Informationen werden zur Korrektur der PIV-Partikel-Rohbilder der Strömung verwendet. Diese Technik ermöglicht dann die direkte Messung von Geschwindigkeitsfeldern in der Gasphase von transparenten Schüttbetten. Für die Entwicklung der Rekonstruktionsmethode wird das Füllkörperbett mit transparentem kugelförmigem Füllmaterial in regelmäßiger Anordnung modelliert. Die hohe Empfindlichkeit der Methode gegenüber einer präzisen Übereinstimmung zwischen Versuchsaufbau und Simulation, einschließlich z. B. der genauen Form und Brechungsindizes der Kugeln, wird systematisch durch die numerische Optimierung der in der Simulation verwendeten Parameter sowie durch neue Methoden für die PIV-Beleuchtung, Kalibrierung und Nachbearbeitung angegangen. Die Gasströmung im Bett wird hinsichtlich der Reynoldszahl, der Anordnung der Gaseinlässe zum Bett und der Größe und Anordnung des Packungsmaterials variiert. Hochgeschwindigkeits-PIV wird nicht nur Zugang zu den mittleren Geschwindigkeiten, sondern auch zu Fluktuationen und Turbulenzgrößen in den Zwischenräumen geben. Diese sind für die Modellierung des Wärme- und Stofftransports wichtig. Im Rahmen des Projekts wird auch eine vollständige Methodik, einschließlich einer Software für die Strahlverfolgung, bereitgestellt, die die Übernahme der Methode durch die wissenschaftliche Gemeinschaft erleichtert.

Experimental investigation of flow fields in the interstices of bulk particles with ray tracing based reconstruction

The flow behaviour of the gas phase in a packed bed has important effects on mass and energy transport processes that are taking place in the bed. It is hence also a central parameter for process optimisation of such systems. Currently, however, only very limited data on the gas flow in packed beds exists, since the access to the particle interstices is very challenging with both probe-based and optical measurement methods. Furthermore, the existing results were typically obtained using refractive index matching, and are hence limited to liquids. For gaseous flows, mainly conclusions obtained using similarity theory are available, which limits the potential range of application.

In this project, we extend optical particle image velocimetry (PIV) of the velocity fields in the gas phase within packed beds by ray tracing reconstructions. For this, we use beds consisting of transparent bulk material so that the velocity field determination can be aided with a numerical simulation of light propagation through the bed. The simulation is performed with ray tracing, and the resulting information is used to correct the raw PIV particle images of the flow. This technique then allows for the direct measurement of velocity fields in the gas phase of transparent packed beds. For the development of the reconstruction method, the packed bed is modelled using transparent spherical packing material in regular arrangements. The high sensitivity of the method to a precise correspondence between the experimental set-up and the simulation, including, for example, the exact shape and refractive indices of the spheres, will be addressed systematically through the numerical optimisation of the parameters used in the simulation as well as new methods for PIV illumination, calibration and post-processing. The gas flow in the bed will be varied concerning Reynolds number, arrangement of the gas inlets to the bed, and packing material size and arrangement. High-speed PIV will give access not only to the mean velocities but also to fluctuations and turbulence quantities in the interstices. These are important for heat and mass transfer modelling. The project will also deliver a complete methodology, including a ray tracing software, that facilitates the adoption of the method by the scientific community.