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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-35132
URL: http://www.opus.ub.uni-erlangen.de/opus/volltexte/2012/3513/
Settling of Fractal Aggregates in Viscous Media
Sedimentation fraktaler Aggregate in viskosen Medien
Binder, Christian
| SWD-Schlagwörter: |
| Stoß , Kollision <Informatik> , Fraktale Dimension , Fraktal , Aggregat , Orientierung |
| Freie Schlagwörter (Deutsch): |
| Suspensionen , fraktale Aggregate , Kolloide , Kollision |
| Freie Schlagwörter (Englisch): |
| Accelerated Stokesian Dynamics , suspensions , fractal aggregates , colloids , collision |
| PACS - Klassifikation: |
| applied fl , 47.85.Dh , fluid dyna , 47.53.+n |
| Fakultät: |
| Technische Fakultät |
| DDC-Sachgruppe: |
| Ingenieurwissenschaften |
| Dokumentart: |
| Dissertation |
| Hauptberichter: |
| Peukert, Wolfgang (Prof. Dr.-Ing.) |
| Sprache: |
| Englisch |
| Tag der mündlichen Prüfung: |
| 24.07.2012 |
| Erstellungsjahr: |
| 2012 |
| Publikationsdatum: |
| 10.09.2012 |
| Kurzfassung in Deutsch: |
| Suspensionen werden in einem weiten Bereich industrieller Applikationen
verwendet: als Pigmente, Füllmittel, Eindickungsmittel,
Emulsionen, etc. Dabei wird auch mit Suspensionen gearbeitet, welche
komplex geformte Aggregate beinhalten. Die Handhabung dieser
Suspensionen ist dann problematisch, wenn die Transporteigenschaften
solcher Aggregate sehr unterschiedlich zu den Eigenschaften
symmetrischer Partikeln sind. Bisher konnten sie modellmäßig
nicht gut beschrieben werden.
In der vorliegenden Arbeit wurde das hydrodynamische Verhalten von fraktalen
Aggregaten in viskosen Fluiden numerisch untersucht.
Die numerische Methode zur Berechnung der Partikelbewegung unter
Einfluss der Hydrodynamik, Accelerated Stokesian Dynamics (ASD), wurde
in diesem Rahmen weiterentwickelt. Diese Entwicklung umfasst die
freie Bewegung von Aggregaten bestehend aus monodispersen,
sphärischen Partikeln, als starre Körper mit komplexer Form.
Die Methode wurde auf verschiedene Arten validiert: für zwei fest
an einander klebende Partikeln wurde die Validierung
mit Literaturdaten durchgeführt. Für regelmäßig konstruierte
Aggregate
wurden zum Vergleich Experimente geführt, während die Validierung
der Simulationsdaten komplex geformter Aggregate im Vergleich zur
Lattice Boltzmann Methode erfolgte.
Ferner wurde diese Methode zur Untersuchung des hydrodynamischen
Verhaltens bei der Sedimentation fraktaler Aggregate
angewandt.
Die fraktalen Aggregate wurden mit Hilfe eines Monte Carlo Algorithmus
generiert, welcher eine diffusionslimitierte Cluster-Cluster
Aggregation durch stochastische Anlagerung gleich großer Partikel
beschreibt.
Statische Berechnungen wurden zur Bestimmung von Widerstandskräften
auf Aggregate in viskosen Fluiden durchgeführt. Es wurde gezeigt,
welchen Einfluss die Struktur der Aggregate auf die Widerstandskraft
hat. Es wurden geometrische Parameter zur Charakterisierung der
Aggregate bestimmt, welche eine Vorhersage der Widerstandskraft
erlauben.
Dynamische Berechnungen mit frei beweglichen Aggregaten wurden zur
Untersuchung des hydrodynamischen Verhaltens fraktaler Aggregate
durchgeführt. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde ein
Algorithmus entwickelt, welcher zur Voraussage der bevorzugten
Orientierung fraktaler Aggregate bei der Sedimentation verwendet
werden kann. Zusätzlich wurde eine Korrelation zur Bestimmung der
Widerstandskraft auf solche Aggregate gefunden, abhängig von ihrer
Struktur und Orientierung.
Der Einfluss der Hydrodynamik auf das Verhalten anisotropischer
Aggregate während der Sedimentation wurde untersucht, sowie die
Abhängigkeit der Sinkgeschwindigkeit von den relativen
Positionen, Neigungswinkel und Oberflächenabstand der individuellen
Aggregate. Es wurde die Grenzentfernung bestimmt, in der ein
schneller sinkendes Aggregat seine ursprünglichen Trajektorie und
Position während der Sedimentation auf Grund der hydrodynamischen
Interaktion ändert.
Es wurde gezeigt, dass die Kollisionseffizienz viel
kleiner für sich bewegende Aggregate ist, als die
Kollisionseffizienz bestimmt
für Aggregate, bei denen eines fest steht.
Die Möglichkeit der Kollision anisotropischer Aggregate wurde
für Aggregate bestehend aus jeweils drei linear angeordneten
Partikeln untersucht. Dabei wurde eine Kollisionskarte definiert, an
Hand welcher, Kollisionen in Abhängigkeit der Anfangspositionen der
Aggregate bestimmt werden können.
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| Kurzfassung in Englisch: |
| Particles dispersed in liquids are of interest in a broad range of
industrial applications: as pigments, fillers, thickeners, emulsions,
etc. In these applications, problems occur mostly in handling suspensions
which contain irregular aggregates. This is due to an unknown behavior
during their transport. Especially if the
aggregated structures are highly complex, common models
fail to describe the hydrodynamic behavior.
In this thesis, the hydrodynamic behavior of particles and aggregates
in viscous suspensions was examined numerically, allowing for the
determination of the orientation and drag force on fractal aggregates.
Hereby, the numerical method of Accelerated Stokesian Dynamics (ASD)
accounting for hydrodynamics was extended to include the free movement
of aggregates. These aggregates were built of monosized spheres acting
together as a rigid body (eASD).
The developed method was validated by comparison with literature data for simple
doublets, with experiments for regular aggregates and with the
Lattice Boltzmann method for fractal aggregates.
Furthermore, it was applied to investigate the hydrodynamic
behavior of fractal aggregates in terms of aggregate settling.
The fractal aggregates were generated by a Monte Carlo method
using diffusion limited cluster-cluster aggregation.
Static simulations were performed in order to determine drag forces
on particle assemblies in suspended state. It was shown that,
especially for viscous media, the drag force is dominated by the
individual structure of the aggregates which can be described by
geometric parameters.
Dynamic simulations were performed for the investigation of the
hydrodynamic behavior of such freely moving aggregates.
Based on these simulations, a fast orientation prediction algorithm
was developed. Using the predicted aggregate
orientation, a simple correlation for the drag force dependency on the
aggregate structure and orientation was found.
The behavior due to the hydrodynamic interaction between two
settling aggregates formed of three linearly arranged particles was
described in dependence of the angle of
inclination, the relative positions and the corresponding settling
velocities. The limit was determined, where the faster settling
aggregate starts to change its settling path in dependence on the
initial offset of the aggregates center of mass projected into
settling direction.
It was demonstrated that the collision efficiency is much smaller for
aggregates in motion than the collision efficiency calculated with one
aggregate being held fixed.
Finally, the possible collision of these anisotropic aggregates during
settling was investigated. As a result, a collision map was given for the case of two settling aggregates formed each of three aligned
particles.
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