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Das Strömungsverhalten der Gasphase in einer Schüttschicht hat wichtige Auswirkungen auf die im Bett stattfindenden Stoff- und Energietransportprozesse. Es ist daher auch ein zentraler Parameter für die Prozessoptimierung solcher Systeme. Derzeit gibt es jedoch nur sehr wenige Daten über die Gasströmung in Schüttbetten, da der Zugang zu den Partikelzwischenräumen sowohl mit sondenbasierten als auch mit optischen Messmethoden sehr schwierig ist. Darüber hinaus wurden die vorhandenen Ergebnisse in der Regel durch Brechungsindexanpassung gewonnen und sind daher auf Flüssigkeiten beschränkt. Für gasförmige Strömungen liegen hauptsächlich Schlussfolgerungen vor, die mit Hilfe der Ähnlichkeitstheorie gewonnen wurden, was den möglichen Anwendungsbereich einschränkt.
In diesem Projekt erweitern wir die optische Particle Image Velocimetry (PIV) der Geschwindigkeitsfelder in der Gasphase innerhalb gepackter Betten um Raytracing-Rekonstruktionen. Dazu verwenden wir Betten, die aus transparentem Schüttgut bestehen, so dass die Geschwindigkeitsfeldbestimmung durch eine numerische Simulation der Lichtausbreitung durch das Bett unterstützt werden kann. Die Simulation wird mit Raytracing durchgeführt, und die daraus resultierenden Informationen werden zur Korrektur der PIV-Partikel-Rohbilder der Strömung verwendet. Diese Technik ermöglicht dann die direkte Messung von Geschwindigkeitsfeldern in der Gasphase von transparenten Schüttbetten. Für die Entwicklung der Rekonstruktionsmethode wird das Füllkörperbett mit transparentem kugelförmigem Füllmaterial in regelmäßiger Anordnung modelliert. Die hohe Empfindlichkeit der Methode gegenüber einer präzisen Übereinstimmung zwischen Versuchsaufbau und Simulation, einschließlich z. B. der genauen Form und Brechungsindizes der Kugeln, wird systematisch durch die numerische Optimierung der in der Simulation verwendeten Parameter sowie durch neue Methoden für die PIV-Beleuchtung, Kalibrierung und Nachbearbeitung angegangen. Die Gasströmung im Bett wird hinsichtlich der Reynoldszahl, der Anordnung der Gaseinlässe zum Bett und der Größe und Anordnung des Packungsmaterials variiert. Hochgeschwindigkeits-PIV wird nicht nur Zugang zu den mittleren Geschwindigkeiten, sondern auch zu Fluktuationen und Turbulenzgrößen in den Zwischenräumen geben. Diese sind für die Modellierung des Wärme- und Stofftransports wichtig. Die mit der neuen Technik gewonnenen Geschwindigkeitsfelder werden mit den Ergebnissen endoskopischer Messungen, mit den im Partnerprojekt A2 gemessenen mittleren Geschwindigkeitsfeldern, mit den simulierten Geschwindigkeiten aus A4 und C6 und an der Bettoberfläche durch Vergleich mit den durch Standard-PIV direkt über dem Bett gemessenen Geschwindigkeitsfeldern validiert. Im Rahmen des Projekts wird auch eine vollständige Methodik, einschließlich einer Raytracing-Software, bereitgestellt, die die Übernahme der Methode durch die wissenschaftliche Gemeinschaft erleichtert. Das Fachwissen und die Software des vorliegenden Projekts werden auch in einer standortübergreifenden Zusammenarbeit mit dem Projekt B3 in Bochum genutzt, um das dort durchgeführte Strahlungsexperiment zu charakterisieren.