Zur Klärung des unklaren Phasenübergangsprozesses von unterkühltem Wasser im Ultraschall-Kristallisator wurde basierend auf dem Euler-Euler-Mehrphasenströmungsmodell, dem Populationsbilanzmodell (PBM) und benutzerdefinierten Funktionen (UDF) ein gekoppelte CFD-PBM-Modell (Computational Fluid Dynamics - Populationsbilanzmodell) entwickelt, um die Strömung, Kernbildung und das Wachstum von Eiskristallen im Strömungswirbel-Ultraschall-Kristallisator zu simulieren. Die Ergebnisse zeigen, dass der Eisanteil am Ausgang mit zunehmender Ultraschallleistung zunächst ansteigt und dann stabilisiert, mit einem leichten Rückgang bei einigen Hochleistungsbedingungen; im Bereich von 200~450 W steigt die optimale Leistung mit zunehmendem Volumenstrom. Eine Erhöhung der Ultraschallfrequenz verstärkt den thermischen Effekt und verringert den Eisanteil am Ausgang, wobei niedrigere Frequenzen im Bereich von 20~40 kHz die Kristallisation begünstigen. Die Wirbelstruktur verlängert die Verweilzeit des unterkühlten Wassers, verstärkt die Mischung von Eis und Wasser und das Abschmelzen der Unterkühlung. Unter Berücksichtigung des Eisanteils am Ausgang, der Wärmeverluste und der Ultraschall-Übertragungsverluste wurden optimale Betriebsparameter bei 360 W Leistung und 25 kHz Frequenz bestimmt. Die Studienergebnisse können als Referenz für die Auslegung von Kristallisatoren in dynamischen Eisspeichersystemen dienen.

Ultraschallkristallisation; gekoppelte CFD-PBM-Modell; unterkühltes Wasser; Entwicklung von Eiskristallen; dynamische Eisspeicherung