Effiziente Modellierung der Partikel-Strahlungsinteraktion von nicht-sphärischen Partikelgruppen

Koch, Matthias; Scherer, Viktor; Kneer, Reinhold

doi:10.18154/RWTH-2025-07384

Effiziente Modellierung der Partikel-Strahlungsinteraktion von nicht-sphärischen Partikelgruppen = Efficient modelling of particle-radiation-interaction of non-spherical particle groups

Koch, Matthias^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Matthias Koch

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Kneer, Reinhold (Thesis advisor)^RWTH* ; Scherer, Viktor (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-08-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-07384
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1017527/files/1017527.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung (412610)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biomasse (frei) ; Strahlungsmodellierung (frei) ; non-spherical (frei) ; particle-radiation-interaction (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Interaktion von elektromagnetischen Wellen mit Partikeln numerisch und experimentell untersucht. Zunächst werden Einzelpartikel betrachtet und anschließend wird das dabei entwickelte Einzelpartikelmodell für die Modellierung des Strahlungsaustausches mit Partikelgruppen verwendet. Neben der Genauigkeit steht insbesondere die Recheneffizienz des Modells im Vordergrund, da das fertige Modell für gekoppelte Strömungs-/Strahlungssimulationen von großskaligen Brennanlagen angewandt werden soll. Für das Strahlungsverhalten von Einzelpartikeln ist neben der Zusammensetzung insbesondere die äußere Form von Bedeutung. Aufbauend auf der Mie-Theorie, die eine analytische Lösung der Strahlungsinteraktion mit homogenen Kugeln darstellt, wird das Einzelpartikelmodell für Rotationsellipsoide erweitert. Neben dem komplexen Brechungsindex des Materials, der Wellenlänge der eintreffenden elektromagnetischen Welle und dem Durchmesser der Projektionsfläche gelten das Achsenverhältnis sowie die Orientierung der Partikel als zusätzlicher Input-Parameter. Für die Herleitung und Validierung wird die Diskrete-Dipol-Approximation (DDA) verwendet. Für die direkte Anwendung benötigt die DDA zu viel Arbeitsspeicher und ist zu langsam. Anschließend wird mit dem neuem Einzelpartikelmodell der Strahlungsaustausch von Partikelgruppen untersucht. Für die spätere Anwendung ist die Berechnung der Strahlungsinteraktion mit jedem Einzelpartikel ineffizient. Stattdessen wird ein Blackbox-Modell entwickelt, das basierend auf den Partikelgrößen- sowie Partikelorientierungsverteilung das Absorptions- und Streuverhalten der Partikelgruppe berechnet.

In this thesis, the interaction of electromagnetic waves with particles is investigated numerically and experimentally. First, single particles are considered and the developed single particle model is finally used to model the radiation interaction with particle groups. In addition to accuracy, the focus is on the computational efficiency of the model, as the finished model will be used for coupled CFD/radiation simulations of large-scale combustors. In addition to the composition, the external shape is particularly important for the radiation behavior of individual particles. Based on Mie theory, which represents an analytical solution of the radiation interaction with homogeneous spheres, the single particle model is extended for prolate ellipsoids. In addition to the complex index of refraction of the material, the wavelength of the incoming electromagnetic wave and the diameter of the projected area, the axis ratio and the orientation of the particles are used as additional input parameters. For the derivation and validation, the discrete-dipole-approximation is used. For direct application, it requires too much memory and is too slow. The radiation exchange of particle groups is then investigated applying the developed single particle model. For later application, it is inefficient to represent each individual particle. Instead, a black box model is developed that calculates the absorption and scattering behavior of the group based on particle size and particle orientation distribution.

OpenAccess:
PDF
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