Please use this persistent identifier to cite or link to this item: doi:10.24405/14518
Title: Modeling and Simulation of the Breakage of Cohesive Particle Agglomerates in Turbulent Wall-Bounded Flows
Authors: Khalifa, Ali Ahmad  
Language: eng
Keywords: Particle-laden flow;Modeling and simulation;Breakage of agglomerate;Data-driven modeling;Artificial neural network;Turbulence;Euler-Lagrange simulation;Large eddy simulation (LES)
Subject (DDC): 532 Mechanik der Fluide; Mechanik der Flüssigkeiten
Issue Date: 2022
Publisher: Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg
Document Type: Thesis
Project: DFG: BR 1847/13-2
Publisher Place: Hamburg
Abstract: 
The present thesis is concerned with the development of predictive
models for the deagglomeration of cohesive particle entrained in
turbulent wall-bounded flows. The models are derived for an existing
efficient Euler-Lagrange simulation strategy, in which agglomerates
are represented by single spheres possessing effective diameters. In
this context, serious meaningful advancements to the state of the art
are achieved concerning the following issues:
(i) the description of the
structural features of agglomerates, (ii) the breakup by
fluid-induced stresses, and (iii) the wall-impact
breakage.

The model of the structural features endows the spheres used for
representing agglomerates with properties allowing to reasonably
determine the effective diameter used in the Lagrangian tracking and
the strength of the agglomerate needed for evaluating the possibility
of breakage.

In the model for the fluid-induced breakup ideas from the literature
are revisited and extended to derive breakup criteria. The approach
relies on a comparison between the fluid stresses exerted on an
agglomerate along its Lagrangian trajectory with a critical stress
threshold defined by the strength of the agglomerate. Three types of
stresses are considered, which are the turbulent, the drag, and the
rotary stress. Furthermore, a special emphasis is put on the
post-breakup treatment, i.e., the arising velocities of the
disintegrated fragments.

For the derivation of the wall-impact breakage model, an extensive
number of detailed discrete element simulations of single agglomerates
is carried out. Wide ranges of different impact conditions such as
the impact velocity, the impact angle, the number of primary particles
and the size of the particles are taken into account. The results are
analyzed based on useful parameters allowing to quantify the number of
arising fragments, their size distribution, and the distribution of
their post-breakage velocities. To establish relationships between the
impact conditions and the breakage parameters two approaches are
explored. The first relies on conventional dimensionality reduction
and regression techniques, whereas the second employs feed-forward
artificial neural networks.

Lastly, the described LES-based Euler-Lagrange methodology is applied
to assess the performance of the new models based on three
investigations: 1- funnel-duct flows inspired by an experimental
investigation to study the breakup of agglomerates in a lab-scale
disperser, 2- duct flows, and 3- the flow in pipe bends inspired by
experimental and numerical studies on the effect of the bend design on
the deagglomeration performance of dry powder inhalers. The results
obtained demonstrate the clear advantage of the simulation strategy in
offering reasonable predictions at affordable computational
costs. Furthermore, important insight into the breakage behavior are
gained. These include the understanding of the relative importance of
the different breakage mechanisms and the identification of the
critical fluid and particle properties for breakup. In addition, the
interaction between breakage and other competing phenomena such as
agglomeration is explored.

Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung von
Vorhersagemodellen für den Aufbruch von kohäsiven Partikelagglomeraten
in turbulenten wandgebundenen Strömungen. Die Modelle werden für eine
vorhandene effiziente Euler-Lagrange Simulationsmethode formuliert,
bei der die Agglomerate durch einzelne Kugeln mit effektiven
Durchmessern dargestellt werden. In diesem Kontext werden deutliche
Fortschritte in den folgenden Schwerpunkten erreicht:
(i) Der Beschreibung der Eigenschaften der
Agglomerat-Struktur, (ii) dem Bruch von Agglomeraten durch
fluidinduzierte Spannungen und (iii) dem Bruch von
Agglomeraten durch Wandkollisionen.

Das Strukturmodell weist den Agglomeraten Eigenschaften zu, die eine
Festlegunug des effektiven Durchmessers erlauben, welcher zur
Lagraneschen Verfolgung und zur Bestimmung der Stärke des Agglomerats
genutzt wird, um ein mögliches Auseinanderbrechen zu evaluieren. In
dem Modell für den Zerfall durch Fluidkräfte werden Ideen aus der
Literatur aufgegriffen und erweitert, um Aufbruchkriterien
herzuleiten. Die Vorgehensweise beruht auf einem Vergleich zwischen
den Fluidspannungen, denen ein Agglomerat entlang seiner
Lagrange-Trajektorie ausgesetzt ist, und einer kritischen
Belastungsschwelle, die durch die Stärke des Agglomerats definiert
wird. Es werden drei Spannungsarten berücksichtigt, die Turbulenz, der
Luftwiderstand und die Rotationsspannung. Darüber hinaus wird ein
besonderer Schwerpunkt auf die Geschwindigkeiten der Fragmente nach
dem Auseinanderbrechen der Agglomerate gelegt. Für die Ableitung des
Bruchmodells durch Wandkollisionen wird eine große Anzahl
detaillierter diskreter Elemente-Simulationen einzelner Agglomerate
durchgeführt. Weite Bereiche unterschiedlicher Aufprallbedingungen wie
die Aufprallgeschwindigkeit, der Aufprallwinkel, die Anzahl der
Primärpartikel und deren Größe werden berücksichtigt. Die Ergebnisse
werden auf der Grundlage repräsentativer Parameter analysiert, die es
ermöglichen, die Anzahl der entstehenden Fragmente sowie deren Größen-
und Geschwindigkeitsverteilung zu quantifizieren. Um Beziehungen
zwischen Aufprallbedingungen und den Parametern des Zerfalls
aufzustellen, werden zwei Ansätze genutzt. Der erste beruht auf
herkömmlicher Dimensionsanalyse und Regressions-techniken, während
der zweite künstliche neuronale Netze verwendet.

Schließlich wird die beschriebene LES-basierte Euler-Lagrange-Methodik
angewendet, um die Leistungsfähigkeit der neuen Modelle anhand von
drei Anwendungen zu beurteilen: 1- Trichter-Kanal-Strömung angelehnt an ein
Experiment zur Untersuchung des Aufbrechens von Agglomeraten in einem
Dispergierer im Labormaßstab, 2- Kanal-Strömung und 3- Strömung in
Rohrbögen inspiriert durch experimentelle und numerische Studien über
die Wirkung des Biegungsdesigns auf die Desagglomerationsleistung von
Trockenpulver-Inhalatoren. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass
aussagekräftige Vorhersagen zu erschwinglichen Rechenkosten mit der
gewählten Simulationsstrategie erreicht werden können. Außerdem werden
wichtige Einblicke in das Aufbrech-Verhalten gewonnen. Dazu gehört
das Verständnis der relativen Wichtigkeit der unterschiedlichen
Bruchmechanismen und die Bestimmung der kritischen Fluid- und
Partikeleigenschaften für das Auseinanderbrechen. Darüber hinaus
werden die Wechselwirkungen zwischen Agglomerat-Bruch und anderen
konkurrierenden Phänomenen wie der Agglomeration erforscht.
Organization Units (connected with the publication): Strömungsmechanik 
DOI: https://doi.org/10.24405/14518
Advisor: Breuer, Michael  
Referee: Wachem, Berend van
Grantor: HSU Hamburg
Type of thesis: Doctoral Thesis
Exam date: 2022-09-19
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