Es wurde eine neue numerische Methode entwickelt, um kontinuierlich durchströmte Mischsysteme mit besserer Genauigkeit simulieren zu können sowie zur Modellierung der Interaktion des CFD-Lösers mit Festkörpern (Rotor- und Statormischsterne) zu verbessern bzw. zu erleichtern (in Bezug auf die Netzgenerierung usw.). Zur Anwendung kommt dabei die Lagrangesche Partikel- und Immersed Boundary-Methode, die anhand von Daten aus der Literatur validiert wurde. Mit Hilfe dieser Methode wurde das Mischen von isoviskosen und nicht isoviskosen Materialien unter verschiedenen Bedingungen (unterschiedliche Volumenströme, Rotorgeschwindigkeiten und Dosierstellen des Additivs) untersucht.
Im experimentellen Teil des Projektes wurde neben der Makro- auch die Mikromischeffizienz des Rotor-Stator Mischers untersucht. Die Makromischuntersuchungen erfolgten dabei anhand von Verweilzeitversuchen. Hierbei wurde für niederviskose Systeme ein hoher Grad an Rückvermischung festgestellt, der mit zunehmender Viskosität und steigendem Gesamtvolumenstrom sowie sinkender Rotordrehzahl abnahm. Für die Untersuchung der Vermischung auf molekularer Ebene (Mikrovermischung) wurde die literaturbekannte Villermaux-Dushman Reaktion verwendet. Mit dieser Reaktion wurde in diesem Projekt erstmalig die Mikrovermischung in hochviskosen Fluiden über 2 Pa.s untersucht. Hierfür wurde ein Gemisch von Zuckern als viskositätserhöhendes Additiv verwendet. Es zeigte sich, dass die Mikromischeffizienz bzw. die Segregation essenziell von den Betriebsparametern und von dem Ort der Dosierung der reaktiven Komponente abhängt. Im Viskosen wurde ein komplexes Mikromischverhalten je nach vorliegender Viskosität festgestellt, was überwiegend auf Rückvermischungseffekte zurückgeführt werden konnte. Neben dem Newtonschen System wurde zusätzlich ein System mit nicht-Newtonschen Eigenschaften mit Hydroxyethylcellulose als viskositätserhöhendes Additiv verwendet.
In enger Zusammenarbeit zwischen den beiden Forschungseinrichtungen wurden die aus experimentellen und numerischen Untersuchungen gewonnenen Informationen dazu verwendet, eine Reihe von dimensionslosen Gleichungen abzuleiten. Die Gleichungen decken im Vergleich zu den bekannten Gleichungen aus der Literatur einen viel größeren Bereich von Re-Zahlen ab, während sie für niedrigere Re-Zahlen eine ähnliche Tendenz erkennen lassen. Diese Gleichungen können KMUs dabei unterstützen, die Leistung eines Rotor-Stator-Mischers vorherzusagen, ohne neue Messungen oder Simulationen durchführen zu müssen.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 06/20 bis 09/22 an der Bergischen Universität Wuppertal, Fakultät für Maschinenbau und Sicherheitstechnik, Lehrstuhl für Strömungsmechanik (Gaußstraße 20, 42119 Wuppertal, Tel.: 0202/439-2113) unter der Leitung von Prof. Dr. U. Janoske (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dr. U. Janoske) und der Universität Hamburg, Institut für Technische und Makromolekulare Chemie (Bundesstraße 45, 20146 Hamburg, 040/42838-6007) unter der Leitung von Dr. W. Pauer (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dr. G. Luinstra).
Das IGF-Vorhaben Nr. 21058 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde im Rahmen des Programms „Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.