Experimentelle Strömungsmechanik

Dr.-Ing. Bernhard Gatternig

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Bild einer Partikelsonde in Nahaufnahme und im Einsatz
Hintergrund: Partikelsonde in der Strömung, Vordergrund: Nahaufnahme einer Partikelsonde

Der Bereich beschäftigt sich mit der messtechnischen Erfassung von Strömungsvorgängen, mit besonderem Fokus auf Mehrphasensysteme. Dazu werden die am LSTM stationär installierten Großanlagen (Windkanal, Wasserkanal, brechungsindex-angepasster Ölkanal) ebenso eingesetzt, wie eigens konzipierte Versuchsanlagen vom Labormaßstab bis zu vor-industriellen Größenskalen. Zur Auslegung der Anlagen werden modernste Methoden des virtuellen Designs (CAD, FEM, CFD, DEM) eingesetzt, die Automatisierung basiert wahlweise auf eigenentwickelter Open-Source Hardware (Arduino, Raspberry Pi) oder auf industriellen Systemen (Siemens S7, National Instruments, ABB-B&R). Die eingesetzte Messtechnik umfasst traditionelle Strömungsmesstechnik und -visualisierung, moderne laseroptische Verfahren (PIV, LIF, PTV, LDA), digitale Bildverarbeitung sowie innovative Neuentwicklungen (z.B. MEMs-basierte Partikelsonden).

Bei den untersuchten Systemen liegt der Fokus zum einen auf Schäumen und Blasen, zum anderen auf dem Verhalten fester Partikel in Gas- und Flüssigströmungen. Zu den Schäumen wird im Rahmen des neu initiierten DFG-AiF Clusters „Physikalisch basiertes Management störender Schäume in Produktionsanlagen: Prävention, Inhibierung und Zerstörung“ das Auftreten und die Vermeidung von Schäumen in Produktionsprozessen der Chemie- und Lebensmittelindustrie untersucht. Dabei soll vor allem die Anwendung physikalischer Aktoren (Ultraschall, IR-Strahler, Beregnung) im Detail untersucht und für den industriellen Einsatz weiterentwickelt werden. Die experimentelle Untersuchung wird dabei ergänzt durch analytische Berechnungen der Strömungssituation und numerische Simulationen mittels Lattice-Boltzmann Methode oder Volume-of-Fluid CFD.

Bei den fest/flüssigen und fest/gasförmigen Systemen ist vor allem die Betrachtung trägheitsdominierter Partikel in den Fokus gerückt. Während sich Partikel, welche der Strömung schlupffrei folgen, mittlerweile gut durch Modelle und numerische Berechnungen abbilden lassen, befinden sich Messtechnik und Berechnungsverfahren für Anwendungen, in denen diese Bedingung aufgrund größerer Durchmesser oder höherer Masse der Partikel nicht mehr gegeben sind, erst in der Entwicklungsphase. Dies liegt an der gesteigerten Komplexität durch die zusätzlichen Kräfte relevanter Größenordnung an den Grenzflächen dieser trägheitsdominierten Partikel und deren daraus resultierenden – von der Umströmung unabhängigen – Bewegungen. Für die Messtechnische Erfassung dieser Bewegungen wurde ein miniaturisiertes System entwickelt, welches direkt in Partikel (derzeit mit minimal 10mm Durchmesser) integriert werden und aktiv die Bewegung aufzeichnen kann. Je nach Anwendungsfall können neben den Bewegungssensoren auf MEMs-Basis auch weitere Messgrößen integriert (Druck, Temperatur, GPS, etc.) bzw. eine drahtlose Kommunikation zwischen den Sensoren über Bluetooth oder WLAN realisiert werden. Das umgebende Strömungsfeld lässt sich parallel über laseroptische Methoden (PIV, PTV) erfassen und den Partikelbewegungen überlagern. Die Untersuchungen dienen einerseits der Betrachtung partikelbeladener Strömungen in industriellen und natürlichen Prozesssen, andererseits der Validierung von numerischen Methoden, beispielsweise der Kopplung von Discrete-Element Simulationen mit CFD oder partikelbasierten Kontinuumsmethoden.

  • Charakterisierung, Simulation und Erprobung ausgewählter physikalischer Schaumzerstörungsverfahren in großskaligen Produktionsanlagen - Teilprojekt 8 - Physikalisch basiertes Management störender Schäume in Produktionsanlagen: Prävention, Inhibierung und Zerstörung

    (Third Party Funds Group – Sub project)

    Overall project: Charakterisierung, Simulation und Erprobung ausgewählter physikalischer Schaumzerstörungsverfahren in großskaligen Produktionsanlagen - Teilprojekt 8 - Physikalisch basiertes Management störender Schäume in Produktionsanlagen: Prävention, Inhibierung und Zerstörung
    Term: July 1, 2018 - June 30, 2021
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

  • Wissensbasierte Prozessführungsstrategie zur stoffadaptiven Vermeidung des Überschäumens beim Abfüllen schaumfähiger, nichtkarbonisierter Getränke

    (Third Party Funds Single)

    Term: October 1, 2017 - September 30, 2019
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
    Abstract

    Bei der Abfüllung nicht-karbonisierter Getränke kommt es in der Praxis häufig zu einer unerwünschten Schaumbildung, die die Produktion negativ beeinflusst (Anlagen-ausbringung, Abfüllungsgenauigkeit, Pro-duktverlustmenge, Hygiene des Abfüllprozesses). So muss sich die Abfülldynamik i.d.R. dem Schaumbildungsvermögen des abzufüllenden Produktes anpassen. Das Überschäumen bestimmt auch die Notwendigkeit und Häufigkeit von Flaschen- und Anlagenreinigung inkl. des damit verbundenen Einsatzes von Energie, Reinigungs- und Betriebsmitteln und der damit verbundenen Kosten. Vereinzelt verhindert ein unkontrollierter Schaumaustritt - etwa bei Obstsäften - schlichtweg den Einsatz einer aseptischen Abfüllung.
    Die größte wirtschaftliche Bedeutung besitzt das unerwünschte Überschäumen bei Orangensaft, mit einer Produktionsmenge von 656 Mio. L/Jahr (2015). Weitere Beispiele sind Säfte aus Ananas oder Roten Früchten sowie faserhaltige Säfte. Im Segment der Gemüsesäfte liegt ein besonders hohes Überschäumrisiko bei Rote-Bete- oder Sauerkrautsäften vor.
    Zum Überschäumen tragen folgende Effekte bei: (i) die von der Strömungsdynamik induzierte Freisetzung chemisch gelöster Gase aus der flüssigen Phase bzw. der induzierte Gaseintrag an der Getränkeoberfläche, (ii) die bei faserhaltigen Getränken zusätzlich stattfindende Freisetzung der an den Fasern anhaftenden Mikroblasen, (iii) die Anwesenheit oberflächenaktiver Stoffe, für das Schaumbildungsvermögen verantwortlich sind und (iv) die aus der stofflichen Zusammensetzung eines Saftes resultierenden physikalischen Eigenschaften (Dichte, Oberflächenspannung, Benetzungswinkel und rheologische Stofffunktionen). 

    Ziel des Forschungsvorhabens ist es , eine KNN-basierte Prozessführungsstrategie zu entwickeln und dynamisch entstehende Schaumschichten durch nicht-invasive, akustische oder alternativ thermische Schaumzerstörungsmechanismen während des Abfüllprozesses einzuschränken oder zu beseitigen.

  • Funktionsmuster einer industriellen Produktions- und Fraktionierungsanlage (Fett+Protein) von Insekten

    (Third Party Funds Single)

    Term: October 1, 2015 - September 30, 2018
    Funding source: AIF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen
    Abstract

    Die wachsende Weltbevölkerung und der folglich wachsende Bedarf an Lebensmitteln erfordert die Erschließung neuer Rohstoffe für die Fütterung von Nutztieren, aus denen Lebensmittel tierischer Herkunft produziert werden. Als Quellen, die nicht in direkter Konkurrenz zur menschlichen Ernährung stehen, können Insekten gesehen werden. Diese sollen gezüchtet und zu Futtermitteln verarbeitet werden. Im vorliegenden Vorhaben wird folglich der gesamte Weg von Züchtung der Insekten bis zur Herstellung von Futtermittel im Fokus, wobei die Ergebnisse der vorangegangenen Untersuchung genutzt werden, um dies optimal umzusetzen. Um ausreichende Mengen an Insekten herstellen zu können, ist die Automatisierung der Züchtung notwendig, die im vorliegenden Vorhaben realisiert werden soll. Dabei ist bei der zugehörigen Tötung der Insekten das Tierwohl strikt zu beachten. Ein weiterer Schritt liegt in einer effizienten Vorverarbeitung der Insekten. Diese müssen, aus Gründen der weiteren Verarbeitungsfähigkeit und Lagerbarkeit, fraktioniert, d. h. in Protein- und Fettfraktion aufgeteilt, und anschließend getrocknet werden. Insbesondere der letzte Schritt ist energetisch aufwendig, so dass die Abstimmung der Vor-und Weiterverarbeitungsschritte eine wesentliche Rolle spielt, um den Gesamtprozess energetisch effizient zu gestalten. Die Insektenfraktionen werden hier zu einem pelletierten Mischfutter verarbeitet. Die Bewertung der Mischfutterqualität erfolgt durch chemische, physikalische und ernährungsphysiologische Untersuchungen. Die Ergebnisse sollen Bestrebungen zur rechtlichen Zulassung von Insektenfraktionen für die Fütterung von
    Nutztieren unterstützen. Unternehmen der Mischfutterbranche können aufgrund der Ergebnisse Rezepturen unter Nutzung insektenbasierter Rohstoffen entwickeln. Für Insektenzüchter ergibt sich die Möglichkeit, die
    Erkenntnisse zur Automatisierung für den Gesamt- oder einzelne Teilprozesse zu nutzen.

Forschungsthemen:

  • Physikalisch basiertes Management störender Schäume in Produktionsanlagen: Prävention, Inhibierung und Zerstörung
    • Experimentell validierte ingenieursmäßige Optimierung gekoppelter Impuls-, Energie- und Stofftransportprozesse in Behandlungsanlagen schaumfähiger Lebensmittel
    • Charakterisierung, Simulation und Erprobung ausgewählter physikalischer Schaummanagementverfahren in großskaligen Produktionsanlagen
  • Wissensbasierte Prozessführungsstrategie zur stoffadaptiven Vermeidung des Überschäumens beim Abfüllen schaumfähiger, nicht-karbonisierter Getränke
  • Strömungsverhalten trägheitsdominierter Partikel
  • Partikelbasierte Methoden der numerischen Simulation
  • Strömungsverhalten historischer Schiffe

Der Hauptfokus dieser Forschungsgruppe liegt auf experimentellen Methoden.

2023

2022

2020

2019

2018

2015

2014

2013