Experimentelle Studien zur Partikelbewegung und Turbulenzmodifikation in einem horizontalen Kanal bei unterschiedlichen Wandrauhigkeiten

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden Transportprozesse in einer horizontalen partikelbeladenen Kanalströmung experimentell untersucht und diskutiert. Durch Änderung verschiedener Parameter, wie die Wandrauhigkeit, die Partikelgröße und -form, die Beladung, das Partikelmaterial und auch die Transportgeschwindigkeit können die Einflüsse der jeweiligen Prozessbedingungen im Einzelnen experimentell nachgewiesen werden. Erstmalig konnten umfangreiche experimentelle Messungen in einer mit nichtsphärischen Partikeln beladenen horizontalen Kanalströmung vorgestellt werden. Die Partikelform, die Größe der Partikeln und die Materialeigenschaft haben einen wesentlichen Einfluss auf die Folgen interpartikulärer Kollisionen. Die Turbulenzmodifikation, die durch Anwesenheit von Partikeln hervorgerufen wird, konnte für große und kleine Partikeln nachgewiesen werden. An Hand von Energiespektren wurden in der Kanalmitte bei kleinen Partikeln eine Turbulenzdämpfung (für beide Komponenten) und bei großen Partikeln eine Turbulenzanfachung beobachtet. Erstmalig konnte der Einfluss der Wandrauhigkeit auf den Grad der Turbulenzmodifikation bei einer Feststoffbeladenen Strömung experimentell nachgewiesen werden. Bezogen auf die Stokeszahl, wird bei nichtsphärischen Partikeln der Übergang von der Turbulenzdissipation zur Turbulenzproduktion eher erreicht als bei sphärischen Partikeln. Der Druckverlust einer horizontalen partikelbeladenen Gas-Feststoffströmung ist direkt abhängig von der Größe der Partikeln, der Beladung, der Partikel- Materialdichte und vor allem der Wandrauhigkeit. Eine höhere Wandrauhigkeit verursacht durch die Zunahme von Partikel-Wandkollisionen einen nachweislich größeren Druckverlust. Durch diese Arbeit steht ein umfangreicher Datensatz für die Validierung eines Modells für die numerische Berechnung von turbulenten partikelbeladenen Strömungen zur Verfügung.

In this study processes of particle conveying in a horizontal channel flow are experimental examined and discussed. By variation of several parameters, as wall roughness, particle size and shape, mass loading, material of the particle and also the velocity of transport, the influences on every single process condition are shown in detail. For the first time detailed experimental measurements could be presented on a horizontal channel flow, loaded with non- spherical particles. The shape of particle, size and quality of material have essential influence on the run of inter- particle collisions. The modification of turbulence at particle presence could be shown for large and small particles. With spectra of energy at the core of the channel a turbulence reduction was shown for small particles (both components) and a turbulence augmentation for large particles. For the first Time the influence of wall roughness was experimentally shown on the extent of turbulence modification in a solid loaded flow. By developing turbulences at edges and corners non- spherical particles causes less turbulence reduction than spherical particles of equal Stokes number. The pressure loss of a horizontal particle loaded gas- solid flow depends directly on the particle size, the mass loading, the density of the particle material and last not least on the wall roughness. A higher wall roughness causes evidently a greater pressure loss by increasing particle wall collisions. This study contains a large set of dates for a numerical calculation model of turbulent particle loaded flow.