Carl-Uwe Böttner

Über den Einfluss der elektrostatischen Feldkraft auf turbulente Zweiphasenströmungen

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 13.12.2002

Abstract
In der Arbeit werden turbulente Zweiphasenströmungen unter Einfluss elektrostatischer Felder numerisch und experimentell untersucht. Es wurden hierfür experimentell die Laser-Doppler-Anemometrie und numerisch die Euler-Lagrange-Methode eingesetzt. Grundlage der Untersuchungen waren zwei technische Anwendungen solcher Zweiphasenströmungen: der Elektroabscheider und die Pulverlackierung. Sie unterscheiden sich in der Partikelgrößenverteilung und in der Orientierung des elektrostatischen Feldes zur Hauptströmungsrichtung. Wie gezeigt werden konnte, lassen sich dadurch verschiedene Effekte beobachten.
Der Einfluss der elektrischen Feldkräfte beruht dabei nicht nur auf der Umlenkung oder Beschleunigung der dispersen Phase, sondern wie anhand von Geschwindigkeitsmessungen mit dem Laser-Doppler-Anemometer gezeigt werden konnte, auch in einer Modifikation des Turbulenzgrades. Die Schwankungsgeschwindigkeiten werden dabei nicht ausschließlich in Feldrichtung verstärkt, sondern es bleibt die vorhandene Isotropie der Turbulenz weitgehend erhalten. Dieser Effekt ist proportional zur Feldstärke und weitgehend unabhängig von der mittleren Kanalgeschwindigkeit. Bisherige Theorien zur Elektrohydrodynamik erklären diesen Effekt nicht vollständig, die numerische Modellierung war folglich nicht in der Lage, die Schwankungsgrößen richtig vorherzusagen.
Die numerischen Untersuchungen in dieser Arbeit zeigen, dass eine von den Strömungsbedingungen entkoppelte Berechnung des elektrostatischen Feldes auch für diese Gas-Feststoff-Strömungen zulässig ist. Weiter konnte mit der Euler-Lagrange-Methode der Pulverlackierprozess beschrieben werden.Es kann zusammenfassend gesagt werden, dass mit der Euler-Lagrange-Methode ein numerisches Hilfsmittel zur Verfügung steht, mit dem schnell und kostengünstig Schwachstellen in Prozessen, bei denen Gas-Feststoffströmungen unter elektrostatischen Feldern beteiligt sind, behoben werden können.

The thesis deals with the influence of electrostatic field forces on turbulent two phase flows. Therefore experimental (laser doppler anemometry) and numerical (Euler-Lagrange-method) methods were used. The different particular forces were discussed considering their meaning for numerical modelling. The investigations were founded on two technical processes that use electrostatic fields to control the solid phase: the electrostatic precipitator and the powder painting. These processes have many similarities despite one specific difference, the orientation of the field force to the main flow direction, which is parallel in the one case and perpendicular in the other. As could be shown, this is leading to different effects.
The experiments in a test-precipitator showed an additional influence to the deviation from the main flow: the fluctuating velocities were modified by the electrostatic field. The modification was imposed in a way, that there is a certain isotropy observed, somehow in contradiction to the existing theories. Therefore it was not possible to find the corresponding fluctuating velocities in the numerical results. A mechanism based on the volume force of the space charge, which is acting like a pressure gradient, is expected to be responsible, but could not be validated.
As a conclusion it can be stated that the Euler-Lagrange-method is a useful tool to quickly and economically investigate flaws in processes with gas-solid flows under the influence of electrostatic fields. A hint for further research is to focus on the underlying gas flow regime and its fluctuating velocities. With this information a numerical model describing the particle flow completely should be found.

Keywords:
Luftreinhaltung, Pulverlackierung, Elektroabscheider, elektrohydrodynamische Turbulenz, elektrostatischer Einfluss auf Zweiphasenströmungen, Euler-Lagrange-Modellierung

gas cleaning, electrostatic precipitator, powder coating, electrohydrodynamic turbulence, electrostatic phenomena in twophase flow, Euler-Lagrange-Modelling

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis, Abbildungsverzeichnis, Tabellenverzeichnis (i-v)
Einleitung (1-4)
1 Ziel der Arbeit (5)
2 Grundlagen (6-28)
3 Numerische Modellierung (29-39)
4 Der Elektroabscheider (40-61)
5 Numerische Ergebnisse des Elektroabscheider (62-73)
6 Die Pulverlackierung (74-83)
7 Numerische Ergebnisse der Pulverlackierung (84-104)
Zusammenfassung und Ausblick / Summary (105-107)
Symbolverzeichnis (109-112)
Literaturverzeichnis (113-129)