Settling of Fractal Aggregates in Viscous Media

Sedimentation fraktaler Aggregate in viskosen Medien

  • 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) 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.show moreshow less
  • 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, 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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Christian Binder
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-35132
Advisor:Wolfgang Peukert
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/09/10
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2012/07/24
Release Date:2012/09/10
Tag:Kollision; Kolloide; Suspensionen; fraktale Aggregate
Accelerated Stokesian Dynamics; collision; colloids; fractal aggregates; suspensions
SWD-Keyword:Aggregat; Fraktal; Fraktale Dimension; Kollision <Informatik>; Orientierung; Stoß
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

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