Simulation of multiphase flows to advance safety in public health and industrial operations

Abstract

Multiphase flows are ubiquitous, from volcanic eruptions to sandstorms and within our bodies in the form of blood and respiratory flow. Beyond nature, it is present in a wide range of industrial applications, such as pneumatic conveyors, spray dryers, and fluidized beds. Due to their prevalence, predicting the behavior of multiphase flows has been a significant research topic for decades. In recent years, numerical simulations have become an effective method for this purpose, as they ensure precise control over input parameters and provide spatially and temporally resolved data. Still, the governing physical mechanisms are often complex and challenging to model. Oversimplifying or neglecting even a single physical phenomenon can give incorrect predictions. This dissertation presents my research that contributes to the modeling and analysis of multiphase flows, with applications that support both better public health regulations and safer industrial processes. In the context of public health, the problem I worked on is modeling the evaporation and trajectories of virus-laden droplets to improve the analysis of airborne virus transmission risk. Our lack of understanding of this topic became apparent in March 2020, when the SARS-CoV-2 pandemic started. Despite countless studies and preventive measures, such as 2-meter distancing rules, face masks, and lockdowns, infection rates remained high, showing how little we know about the transmission of airborne diseases. In the industrial context, a significant safety concern in particle-laden flows is dust explosions. During the transport of dust, particle–wall and particle–particle collisions occur, and particles gain charge due to triboelectrification. When the charged powder is stored, charge can accumulate locally, leading to discharges. If the dust is combustible, these discharges may cause ignition and dust explosions. A further challenge in particle-laden flows is powder deposition on industrial units. Powder deposition reduces the yield of processes and causes downtime for cleaning and maintenance in units such as pneumatic conveyors, spray dryers, and fluidized beds. Deposits can also lead to the accumulation of charge, increasing the risk of dust explosions. To contribute to eliminating of the concerns mentioned above, I worked on: I) development of a droplet evaporation tool to better predict airborne virus transmission, II) investigating how different flow structures affect triboelectrification of particle-laden flows, III) implementation and analysis of a new charging model to better predict triboelectrification of particles, and IV) analyzing the parameters that reduce the powder deposition. Each study resulted in a separate publication given in "List of publications" and provided unique contributions to the overall research aim. Specifically, Ozler and Grosshans [1] reveal that traditional evaporation models fail to predict the lifetimes and travel distances of saliva droplets. In certain weather conditions that accelerate evaporation, hollow particles might form, extending the travel distances and thus increasing the airborne transmission risk. Ozler and Grosshans [2] shows that secondary flow structures alter powder charging behavior. Through direct numerical simulations (DNS) of particle-laden flow, this study shows that in the presence of secondary vortices, particles collide with walls more often, accelerating their charging. Grosshans et al. [3] propose a new charging model, the Stochastic Scaling Model (SSM), that predicts experimentally observed charging mechanisms while remaining computationally efficient for large-scale particle-laden flow simulations. Finally, Ozler and Grosshans [4] reveal that powder deposition depends on flow direction, particle number density, and Stokes number. Through DNS, this study provides a guide on the selection of input parameters to prevent powder deposition in pneumatic conveying.

Mehrphasenströmungen sind allgegenwärtig, sie treten in der Natur bei Vulkanausbrüchen und Sandstürmen ebenso auf wie im menschlichen Körper in Form von Blut- und Atemströmungen. Über natürliche Phänomene hinaus finden sie sich in einer Vielzahl industrieller Anwendungen, etwa in pneumatischen Förderanlagen, Sprühtrocknern und Wirbelschichten. Aufgrund ihrer weiten Verbreitung ist die Vorhersage des Verhaltens von Mehrphasenströmungen seit Jahrzehnten ein bedeutendes Forschungsthema. In den letzten Jahren haben sich numerische Simulationen als effektive Methode hierfür etabliert, da sie eine präzise Kontrolle über Eingangsparameter ermöglichen und räumlich sowie zeitlich aufgelöste Daten liefern. Dennoch sind die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen häufig komplex und schwer zu modellieren. Eine zu starke Vereinfachung oder das Vernachlässigen auch nur eines einzelnen physikalischen Phänomens kann zu falschen Vorhersagen führen. Diese Dissertation stellt meine Forschung vor, die zur Modellierung und Analyse von Mehrphasenströmungen beiträgt, mit Anwendungen, die sowohl eine Verbesserung der öffentlichen Gesundheitsvorschriften als auch sicherere industrielle Prozesse unterstützen. Im Kontext der öffentlichen Gesundheit befasst sich meine Arbeit mit der Modellierung der Verdampfung und Trajektorien virusbeladener Tröpfchen, um die Analyse des Risikos einer luftgetragenen Virusübertragung zu verbessern. Unser mangelndes Verständnis dieses Themas wurde im März 2020 deutlich, als die SARS-CoV-2-Pandemie begann. Trotz zahlreicher Studien und Präventionsmaßnahmen wie Abstandsregeln, Maskenpflicht und Lockdowns blieben die Infektionsraten hoch, was verdeutlicht, wie wenig über die Übertragung luftgetragener Krankheiten bekannt ist. Im industriellen Kontext stellt die Gefahr von Staubexplosionen ein wesentliches Sicherheitsproblem in partikelbeladenen Strömungen dar. Beim Transport von Staubpartikeln treten Partikel–Wand- und Partikel–Partikel-Kollisionen auf, bei denen sich Partikel durch Triboelektrifizierung aufladen. Wird das geladene Pulver anschließend gelagert, kann es zu lokaler Ladungsakkumulation und Entladungen kommen. Handelt es sich dabei um brennbaren Staub, können solche Entladungen eine Zündung und somit Staubexplosionen auslösen. Eine weitere Herausforderung partikelbeladener Strömungen ist die Pulverablagerung auf industriellen Anlagen. Diese Ablagerungen verringern den Ertrag von Prozessen und führen zu Stillstandzeiten für Reinigung und Wartung in Anlagen wie pneumatischen Förderern, Sprühtrocknern und Wirbelschichten. Zudem können Ablagerungen ebenfalls zu Ladungsakkumulation führen und somit das Risiko von Staubexplosionen erhöhen. Zur Lösung der genannten Herausforderungen habe ich an folgenden Themen gearbeitet: I) Entwicklung eines Verdampfungstools für Tröpfchen zur besseren Vorhersage der luftgetragenen Virusübertragung, II) Untersuchung, wie verschiedene Strömungsstrukturen die Triboelektrifizierung partikelbeladener Strömungen beeinflussen, III) Implementierung und Analyse eines neuen Lademodells zur genaueren Vorhersage der Partikel-Triboelektrifizierung sowie IV) Analyse der Parameter, die die Pulverablagerung verringern. Jede dieser Studien führte zu einer eigenen Veröffentlichung, die in „List of publications“ aufgeführt ist, und lieferte einen einzigartigen Beitrag zum übergeordneten Forschungsziel. Konkret zeigen Ozler and Grosshans [1], dass herkömmliche Verdampfungsmodelle die Lebensdauer und Flugweite von Speicheltröpfchen nicht korrekt vorhersagen. Unter bestimmten Wetterbedingungen, die die Verdampfung beschleunigen, können hohle Partikel entstehen, die weiter fliegen und somit das Risiko der luftgetragenen Übertragung erhöhen. Ozler and Grosshans [2] weisen nach, dass sekundäre Strömungsstrukturen das Ladeverhalten von Pulvern verändern. Durch direktnumerische Simulationen (DNS) partikelbeladener Strömungen zeigt die Studie, dass Partikel in Gegenwart sekundärer Wirbel häufiger mit den Wänden kollidieren, was ihre Aufladung beschleunigt. Grosshans et al. [3] schlagen ein neues Lademodell, das Stochastic Scaling Model (SSM), vor, das experimentell beobachtete Lademechanismen vorhersagt und gleichzeitig für großskalige Simulationen partikelbeladener Strömungen recheneffizient bleibt. Schließlich zeigt Ozler and Grosshans [4], dass die Pulverablagerung von Strömungsrichtung, Partikelanzahldichte und Stokes-Zahl abhängt. Mittels DNS liefert diese Studie eine Orientierungshilfe für die Wahl geeigneter Eingangsparameter, um Pulverablagerungen in pneumatischen Fördersystemen zu vermeiden.