A modelling study of the flow pattern in a rotating drum for aerosol aging

Abstract

Aerosols are small droplets or particles suspended in a gas and they can contain microorganisms or other harmful substances. It is therefore of great importance to gain more knowledge about them, for example their survival time and how they disperse. For best control of the factors affecting the aerosols, studies are best performed in an aerosol chamber. Today, almost all aerosol chambers in use are stationary and maintained by stirred settling of aerosols. However, literatures suggest that it would be possible to keep particles airborne for a significantly longer period of time if the chamber was rotating. A schematic of such a rotating aerosol chamber is shown in figure 0.1. Figure 0.1 Simplified schematic air flow diagram of toroid installation (1) In this study the flow within a rotating aerosol chamber was modelled using CFD. The primary objective was to study the aerosol tracks inside the chamber in order to understand the very long residence times observed in full scale laboratory experiments. This has not been discussed in any of the most well known literature on the topic although it constitutes the key to understand this phenomenon. A secondary objective was to use a number of different turbulencemodels in order to investigate their significance for the predicted results. When aerosols were injected in the centre of the chamber along the axis of rotation, the simulations showed that they would very slowly be transported axially towards the circular sidewall of the chamber. If the injection took place off the axis of rotation, the aerosols would at the same time rotate in the tangential direction. As the aerosols approach the sidewall, they would be further displaces from the axis of rotation and rotate in larger and larger tangential circles which transport them radially towards the peripheral outer wall. When the outer wall is approached, the aerosols would be transported back towards the symmetry plane of the chamber and then back towards the centre of the chamber in a spiralling motion. A rough estimate of the residence time gives that the time it takes for a particle to circulate the chamber once is in order of hours - and furthermore that the aerosols that are not deposited on the chamber walls can be kept in the air for many hours, even in the order of days. The present results thus seem fully consistent with the experimental findings. This confirms that the CFD approach can be used to conduct detailed studies of aerosol transport in rotating chambers and as such be a valuable addition to full scale experiments. The result also showed a substantially difference between the results given by the different models, some of which seem physically unrealistic. The lesson learned is that great care has to be taken about which specific approach that should be adopted.

Aerosoler er små dråper eller partikler som kan transporter es med i luft. Disse kan inneholde mikroorganismer eller andre farlige substanser. Det er derfor viktig å studere aerosoler for å få kjennskap til de parametre som bestemmer deres overlevingstid. For å ha best mulig kontroll over de faktorer som påvirker aerosolene gjennomføres ofte undersøkelser under kontrollerte forhold inne i spesielt konstruerte aerosolkamre. Nesten alle aerosolkamre som anvendes i dag er stasjonære der aerosolene holdes i luften gjennom at luften blir rørt om. Dog hevdes det i litteraturen at det ville være mulig å holde partikler i luften en mye lengre periode dersom kammeret roterer, se figure 0.1. Figure 0.1 Simplified schematic air flow diagram of toroid installation (1) I denne studien er strømningen i et roterende aerosolkammer modellert med CFD. Hovedmotivasjonen for studien er å bestemme partikkelbanene til aerosolene i kammeret for å søke å forstå hvordan aerosolene kan holdes i luften under svært lange tidsperioder (mer enn i et døgn) i et slikt kammer. Et sekundært formål med studien har vært å bruke forskjellige turbulensmodeller for å øke forståelsen av hvor viktige disse er. Simuleringene viser at hvis aerosoler blir injisert midt i kammeret langs rotasjonsaksen så vil disse først bevege seg sakte aksialt mot den sirkulære sideveggen. Hvis aerosolene blir injisert et lite stykke unna rotasjonsaksen, så vil disse samtidig rotere i tangential retning. Når aerosolene nærmer seg den sirkulære sideveggen, vil de bli transport radielt og derved også rotere i større og større baner. Aerosolene vil følgelig langsomt bli transport radielt mot den ytre veggen. Når de nærme seg den ytre veggen, beveger aerosolene seg inn mot symmetriplanet igjen og deretter tilbake mot midten av kammeret i en spiralformet bevegelse. En grov overslagsberegning viser at tiden det tar for en partikkel å sirkulere kammeret en gang er av størrelsesorden timer. Hvis deposisjonsraten av aerosolene på kammerets vegger er liten vil aerosolene kunne holdes i luften en veldig lang tid - opp mot dager. Resultatene viser og at det vil skje en agglomerering av aerosoler langs den ytre veggen av kamret. CFD-beregninger ser altså ut å være i stand til å reprodusere hva som er blitt eksperimentelt observert og denne studien viser da samtidig at CFD kan vare et verdifullt komplimenterende verktøy til fullskala aerosol eksperimenter for å øke forståelsen av transportprosessen. Studien viser også til dels store forskjeller mellom resultatene fra de ulike turbulensmodellerne, og at noen av disse resulterer i en ufysikalsk oppførsel. Riktig bruk av CFD krever derfor god strømningsfysikalsk innsikt for å være i stand til å velge egnet metodikk.