Sauter-Durchmesser

Der Sauterdurchmesser ist eine Kenngröße einer Partikelgrößenverteilung. Er ist wie folgt definiert: würde man das gesamte Volumen der Partikel einer Schüttung in gleichgroße Kugeln umformen, deren gesamte Oberfläche gleich der gesamten Oberfläche der Partikel ist, dann hätten diese Kügelchen den Sauterdurchmesser als Durchmesser.

Bedeutung

Verwendet wird der Sauterdurchmesser vor allem zur Beschreibung von Partikelgrößenverteilungen von Feststoffen (z. B. Sand) und zerstäubten Flüssigkeiten (z. B. Kraftstoffeinspritzung). In diesen Anwendungen wird der Sauterdurchmesser mathematisch so formuliert:

$D_S = d_{32} = \frac{6}{S_V}$

wobei die spezifische Oberfläche

$S_V = \frac{S_{ges}}{V_{ges}}$

die gesamte Oberfläche durch das Gesamtvolumen der Partikel ist. Die spezifische Oberfläche kann ähnlich wie der Äquivalentdurchmesser durch Formfaktoren beschrieben werden.

Eine weitere Anwendung ist die Beschreibung poröser Feststoffe. Hierbei wird in der mathematischen Formulierung mehr Wert auf die Porosität gelegt:

$D_S = \frac{6 \cdot (1 - \epsilon)}{\sigma}$

wobei ε die Porosität und σ die volumenbezogene innere Oberfläche bezeichnet.

Der poröse Festkörper kann beispielsweise aus dicht gepackten, an den Berührungsstellen zusammenhaftenden oder versinterten Teilchen bestehen, zwischen denen räumlich vernetzte durchgehende Poren frei sind.

ε ist das freie Volumen (Porenvolumen) im Verhältnis zum Gesamtvolumen (gesamtes Teilchenvolumen + Porenvolumen) und σ die gesamte innere Oberfläche im Verhältnis zum gesamten Volumen.

Besteht der poröse Festkörper aus einer Packung von n gleichgrossen Kugeln vom Radius R im Volumen V, so gilt:

$\epsilon = 1-\frac{n \cdot 4 \pi R^3}{3 \cdot V}$

$\sigma = \frac{n \cdot 4 \pi R^2}{V}$

Für den Sauterdurchmesser folgt daraus:

$D_S = 2 \cdot R$

also gerade der Kugeldurchmesser.

Der Sauterdurchmesser ist eine wichtige Größe bei der statistischen Beschreibung von Flüssigkeits- oder Gasströmungen durch poröse Festkörper. So besteht zwischen der lokal über mehrere Porendurchmesser gemittelten Strömungsgeschwindigkeit $\bold{v}$ und dem lokal gemittelten Druckgradienten $\nabla p$ ein linearer Zusammenhang:

$\nabla p = \frac{\eta \cdot \bold{v}}{B}$

wobei B die Durchlässigkeit des porösen Festkörpers und η die Viskosität der Flüssigkeit oder des Gases bezeichnet. Bei geometrisch ähnlicher Struktur, also auch gleicher Porosität, ist die Durchlässigkeit proportional zum Quadrat des Sauterdurchmessers:

$B \sim D_S^2$