Dieses Projekt untersucht Vermischungs- und Transportmuster von Substraten (z. B. Chemikalien), mithilfe der neuesten 3D Strömungsmessverfahren und Konzepte aus der Theorie dynamischer Systeme und der Netzwerktheorie.
Die Identifizierung von Vermischungsmustern und Heterogenitäten in chemischen und biochemischen Reaktoren ist entscheidend für die Bewertung ihrer internen Zustände und etwaigen Mischhindernissen. Wenn die Zeitskalen der Durchmischung denen des anvisierten Prozesses ähneln, z. B. der Zeitskalen einer chemischen Reaktion, ist weder die Vereinfachung perfekt gemischter noch vollständig separierter Edukte anwendbar. Ausbeute und Selektivität des Prozesses können dann durch die Fluiddynamik beeinflusst werden. Lagrangesche Trajektorien bilden die Grundlage für die Identifizierung der Strukturen, die den fluiddynamischen Transport und die Vermischung bestimmen. Experimentelle Daten zu deren Bestimmung können entweder durch Partikelverfolgung via 4D-PTV oder durch Lagrange-Sensoren, die ihre eigene Spur aufzeichnen, gewonnen werden. Beide Datensätze sind sehr spärlich, unvollkommen und von Messungenauigkeiten betroffen. Außerdem geben die Sensortrajektorien aufgrund von Trägheit die zugrunde liegende Bewegung der Flüssigkeit und der Substrate (z. B. Chemikalien, Mikroorganismen) nicht genau wieder. Ziel dieses Projekts ist die Identifizierung von Lagrange'schen Transport- und Vermischungsmustern von Substraten durch Anwendung neuartiger datenbasierter mathematischer Lagrange'scher Analysemethoden auf experimentell gemessene Partikel- und Sensortrajektorien.
Das Projekt hat daher zwei Hauptziele:
Erstens wollen wir die zeitaufgelösten Lagrangeschen Trajektorien in drei räumlichen Dimensionen messen, mit zeitaufgelöster Partikelverfolgungs-Velocimetrie (4D-PTV) oder auch mit der raum-zeitlichen Information von Lagrangeschen Sensoren.
Zweitens wollen wir neue mathematische Werkzeuge entwickeln, um die räumlich-zeitlich aufgelösten Vermischungsmuster auf der Basis dieser unvollkommenen Daten zu entschlüsseln, um die transienten Vermischungsprozesse im Reaktor zu quantifizieren. Die Größenordnung des Messvolumens hängt vom untersuchten Reaktor ab und reicht vom Millimeterbereich bei Einbauten bis zum Meterbereich, wenn große Reaktoren mit Lagrange-Sensoren untersucht werden. Die zentralen wissenschaftlichen Fragen dieses Projekts sind:
- Wie können bewegliche kohärente Kompartimente oder tote Vermischungszonen rechnerisch aus Lagrangeschen Trajektorien und sogar aus spärlichen oder unvollkommenen experimentellen Daten durch neue Lagrangesche Vermischungsmaße identifiziert werden?
- Wie verhalten sich diese räumlich-zeitlich aufgelösten Lagrangeschen Vermischungsmaße zu gängigen Analysemethoden wie Konzentrationsfeldern, Mischzeiten, Segregation und Mischqualität?
- Wie können die abgeleiteten Vermischungsmaße dabei helfen, optimale Prozessbedingungen und Reaktorgeometrien hinsichtlich der Platzierung von Komponenten, e.g. eingebaute Sensoren, intelligente Oberflächen, gasentwickelnde Elektroden oder Einlässe zu bestimmen?
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