Im Rahmen dieses Projektes wurde ein innovativer experimentell/numerischer Ansatz verwendet, um die angestrebten Forschungsziele zu erreichen. Der entwickelte Simulationsrahmen basierend auf der DEM/CFD ist von seiner Komplexität so beschaffen, dass er für industrielle Prozesse eingesetzt werden kann und mit kommerzieller Software realisierbar ist. Neben speziellen Prozessen lassen sich auch Modellsysteme untersuchen, mit denen einfache Rechenvorschriften abgeleitet werden können, die dann in der industriellen Praxis Anwendung finden können. Als Ergebnis der Entwicklung des Simulationsrahmens wurden zwei Staubquellen implementiert, die sich aus der Freisetzung luftgetragener Partikel aus der Partikel-Gas Interaktion und aus den mechanischen Kräften der Schüttgutpartikel untereinander zusammensetzen. Die Modellierung der Staubausbreitung wurde innerhalb einer an die DEM gekoppelten mehrphasigen CFD gelöst. Aus experimenteller Sicht wurde ein Referenzmaterial (RTBM: Reference Test Bulk Material) entwickelt, dass aus einer Grobgut- und einer Feingutfraktion mit enger Partikelgrößenverteilung besteht. Dieses wird reproduzierbar mit variablem Massenverhältnis von Grob- und Feingut hergestellt und bietet so eine solide Grundlage für die Eingabeparameter in der Simulation. Die Experimente der Staubfreisetzung des ausgewählten Schüttgutes in den Apparaturen (Fallapparatur, Überströmung im Windkanal, Rotationstrommel) erforderten einige Umbauarbeiten und Modifikationen sowie für jede Apparatur eine sorgfältige Überlegung der Versuchsdurchführungen zur Schaffung wohldefinierter Bedingungen und der Vergleichbarkeit mit den Simulationen. Das Ergebnis waren abgesicherte, quantitative Messmethodiken der Staubmasse im Windkanal und in der Rotationstrommel zur Durchführung einer erfolgreichen Kalibrierung der Staubungsfaktoren, die in den beiden Staubquelltermen integriert sind.
Die parallel zu den Experimenten durchgeführten numerischen Untersuchungen erfolgten eng verzahnt bei Nachmodellierung der drei Experimentalsysteme. Die beidseitig durchgeführten Parameterstudien bei der Überströmung einer Schüttung identifizierten zahlreiche Abhängigkeiten der Staubfreisetzung von der Haufwerksgeometrie (Schüttwinkel, Form), der Anströmgeschwindigkeit und dem Partikeldurchmesser. Auffällig war hier der entgegengesetzte Einfluss des Schüttwinkels bei der Umströmung im Vergleich mit dem Rechenmodell des VDI. Im Rahmen der Parameterstudie an der Rotationsapparatur, sowohl numerisch als auch experimentell, konnten für beide Fälle Freisetzungsfunktionen für den Staubaustrag abgeleitet werden, die einen wichtigen Beitrag für die Weiterentwicklung von Rechenvorschriften leisten. Weiterhin konnte hier neben der Schaffung einer reproduzierbaren Kalibriermethodik die Staubfreisetzung in der DEM/CFD validiert werden. Bei Änderung des Energieeintrages, durch Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit, zeigte der Staubaustrag einen ähnlichen Verlauf zum Experiment und unterstreicht die Anwendbarkeit des implementierten Staubquellterms.
Die Ergebnisse werden in einem thematisch anschließenden Projekt (AiF 20974 N), an dem erneut beide Forschungsstellen beteiligt sind, weitergehend ergänzt. Das Ziel ist die Fortführung der Entwicklung von Rechenvorschriften sowie die Betrachtung der Staubquellterme auf physikalisch verifizierter Einzelpartikelebene.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 04/2017 bis 12/2019 an der Technischen Universität Berlin, Institut für Prozess- und Verfahrenstechnik, Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitung (Straße des 17. Juni 135, 10623 Berlin, Tel. 030 / 314-22724) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Harald Kruggel-Emden (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dr.-Ing. Harald Kruggel-Emden) und an der Bergischen Universität Wuppertal, Institut für Partikeltechnologie (Rainer-Gruenter-Straße Geb. FF, 42119 Wuppertal, Tel. 0202 / 439-2389) unter der Leitung von Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Eberhard Schmidt (Leiter der Forschungseinrichtung Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Eberhard Schmidt)
Das IGF-Vorhaben Nr. 19411 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.