Modeling and Simulation of the Breakage of Cohesive Particle Agglomerates in Turbulent Wall-Bounded Flows
Creators: name: Khalifa, Ali Ahmad
Publisher: name: Universitätsbibliothek der HSU / UniBwH
Year: 2022
Subjects: subject: Particle-laden flow
subject: Modeling and simulation
subject: Breakage of agglomerate
subject: Data-driven modeling
subject: Artificial neural network
subject: Turbulence
subject: Euler-Lagrange simulation
subject: Large eddy simulation (LES)
subject: 532 Mechanik der Fluide; Mechanik der Flüssigkeiten

description: The present thesis is concerned with the development of predictive models for the deagglomeration of cohesive particle entrained in turbulent wall-bounded flows. The models are derived for an existing efficient Euler-Lagrange simulation strategy, in which agglomerates are represented by single spheres possessing effective diameters. In this context, serious meaningful advancements to the state of the art are achieved concerning the following issues: (i) the description of the structural features of agglomerates, (ii) the breakup by fluid-induced stresses, and (iii) the wall-impact breakage. The model of the structural features endows the spheres used for representing agglomerates with properties allowing to reasonably determine the effective diameter used in the Lagrangian tracking and the strength of the agglomerate needed for evaluating the possibility of breakage. In the model for the fluid-induced breakup ideas from the literature are revisited and extended to derive breakup criteria. The approach relies on a comparison between the fluid stresses exerted on an agglomerate along its Lagrangian trajectory with a critical stress threshold defined by the strength of the agglomerate. Three types of stresses are considered, which are the turbulent, the drag, and the rotary stress. Furthermore, a special emphasis is put on the post-breakup treatment, i.e., the arising velocities of the disintegrated fragments. For the derivation of the wall-impact breakage model, an extensive number of detailed discrete element simulations of single agglomerates is carried out. Wide ranges of different impact conditions such as the impact velocity, the impact angle, the number of primary particles and the size of the particles are taken into account. The results are analyzed based on useful parameters allowing to quantify the number of arising fragments, their size distribution, and the distribution of their post-breakage velocities. To establish relationships between the impact conditions and the breakage parameters two approaches are explored. The first relies on conventional dimensionality reduction and regression techniques, whereas the second employs feed-forward artificial neural networks. Lastly, the described LES-based Euler-Lagrange methodology is applied to assess the performance of the new models based on three investigations: 1- funnel-duct flows inspired by an experimental investigation to study the breakup of agglomerates in a lab-scale disperser, 2- duct flows, and 3- the flow in pipe bends inspired by experimental and numerical studies on the effect of the bend design on the deagglomeration performance of dry powder inhalers. The results obtained demonstrate the clear advantage of the simulation strategy in offering reasonable predictions at affordable computational costs. Furthermore, important insight into the breakage behavior are gained. These include the understanding of the relative importance of the different breakage mechanisms and the identification of the critical fluid and particle properties for breakup. In addition, the interaction between breakage and other competing phenomena such as agglomeration is explored.
description: Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung von Vorhersagemodellen für den Aufbruch von kohäsiven Partikelagglomeraten in turbulenten wandgebundenen Strömungen. Die Modelle werden für eine vorhandene effiziente Euler-Lagrange Simulationsmethode formuliert, bei der die Agglomerate durch einzelne Kugeln mit effektiven Durchmessern dargestellt werden. In diesem Kontext werden deutliche Fortschritte in den folgenden Schwerpunkten erreicht: (i) Der Beschreibung der Eigenschaften der Agglomerat-Struktur, (ii) dem Bruch von Agglomeraten durch fluidinduzierte Spannungen und (iii) dem Bruch von Agglomeraten durch Wandkollisionen. Das Strukturmodell weist den Agglomeraten Eigenschaften zu, die eine Festlegunug des effektiven Durchmessers erlauben, welcher zur Lagraneschen Verfolgung und zur Bestimmung der Stärke des Agglomerats genutzt wird, um ein mögliches Auseinanderbrechen zu evaluieren. In dem Modell für den Zerfall durch Fluidkräfte werden Ideen aus der Literatur aufgegriffen und erweitert, um Aufbruchkriterien herzuleiten. Die Vorgehensweise beruht auf einem Vergleich zwischen den Fluidspannungen, denen ein Agglomerat entlang seiner Lagrange-Trajektorie ausgesetzt ist, und einer kritischen Belastungsschwelle, die durch die Stärke des Agglomerats definiert wird. Es werden drei Spannungsarten berücksichtigt, die Turbulenz, der Luftwiderstand und die Rotationsspannung. Darüber hinaus wird ein besonderer Schwerpunkt auf die Geschwindigkeiten der Fragmente nach dem Auseinanderbrechen der Agglomerate gelegt. Für die Ableitung des Bruchmodells durch Wandkollisionen wird eine große Anzahl detaillierter diskreter Elemente-Simulationen einzelner Agglomerate durchgeführt. Weite Bereiche unterschiedlicher Aufprallbedingungen wie die Aufprallgeschwindigkeit, der Aufprallwinkel, die Anzahl der Primärpartikel und deren Größe werden berücksichtigt. Die Ergebnisse werden auf der Grundlage repräsentativer Parameter analysiert, die es ermöglichen, die Anzahl der entstehenden Fragmente sowie deren Größen- und Geschwindigkeitsverteilung zu quantifizieren. Um Beziehungen zwischen Aufprallbedingungen und den Parametern des Zerfalls aufzustellen, werden zwei Ansätze genutzt. Der erste beruht auf herkömmlicher Dimensionsanalyse und Regressions-techniken, während der zweite künstliche neuronale Netze verwendet. Schließlich wird die beschriebene LES-basierte Euler-Lagrange-Methodik angewendet, um die Leistungsfähigkeit der neuen Modelle anhand von drei Anwendungen zu beurteilen: 1- Trichter-Kanal-Strömung angelehnt an ein Experiment zur Untersuchung des Aufbrechens von Agglomeraten in einem Dispergierer im Labormaßstab, 2- Kanal-Strömung und 3- Strömung in Rohrbögen inspiriert durch experimentelle und numerische Studien über die Wirkung des Biegungsdesigns auf die Desagglomerationsleistung von Trockenpulver-Inhalatoren. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass aussagekräftige Vorhersagen zu erschwinglichen Rechenkosten mit der gewählten Simulationsstrategie erreicht werden können. Außerdem werden wichtige Einblicke in das Aufbrech-Verhalten gewonnen. Dazu gehört das Verständnis der relativen Wichtigkeit der unterschiedlichen Bruchmechanismen und die Bestimmung der kritischen Fluid- und Partikeleigenschaften für das Auseinanderbrechen. Darüber hinaus werden die Wechselwirkungen zwischen Agglomerat-Bruch und anderen konkurrierenden Phänomenen wie der Agglomeration erforscht.