ISBN 978-3-8439-2694-2

978-3-8439-2694-2, Reihe Verfahrenstechnik

Roland Engberg
Einzeltropfen in Flüssig-flüssig-Systemen: Numerische Untersuchungen zu Fluiddynamik, Stofftransport und Marangonikonvektion

199 Seiten, Dissertation Universität Paderborn (2016), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

In dieser Arbeit werden Fluiddynamik, Stofftransport und Marangonikonvektion an Einzeltropfen in Flüssig-flüssig-Systemen mittels numerischer Simulationen untersucht. Dazu wird ein CFD-Programm, bei dem die bewegliche Phasengrenze des Tropfens mit der Level-Set-Methode beschrieben wird, in das open-source CFD-Paket OpenFOAM® implementiert. Das Programm wird hinsichtlich der Tropfenfluiddynamik und des Stofftransports mit theoretischen Testfällen sowie numerischen und experimentellen Daten aus der Literatur validiert.

Mit dreidimensionalen Simulationen zur Fluiddynamik von Toluoltropfen in Wasser wird erstmals belegt, dass die Anfangsform des Tropfens sein fluiddynamisches Verhalten maßgeblich beeinflussen und zu einer Geschwindigkeitsbifurkation, d.h. zwei unterschiedlichen Aufstiegsgeschwindigkeiten bei gleicher Tropfengröße, führen kann. Die fluiddynamischen Mechanismen, die zu diesem Phänomen hervorrufen, werden mit Hilfe der Simulationen aufgeklärt.

Konzentrationsinduzierte Marangonieffekte werden mit Simulationen für das Stoffsystem Toluol-Aceton-Wasser untersucht. Dabei werden die aus experimentellen Untersuchungen bekannten Auswirkungen der Marangonikonvektion reproduziert: Eine reduzierte, äußerst instationäre Aufstiegsgeschwindigkeit und ein intensivierter Stofftransport, deren zeitliche Verläufe von der Anfangskonzentration der Übergangskomponente abhängen. Zudem wird erstmals ein plötzlicher Ausbruch in der Tropfentrajektorie, der das Abklingen der Marangonikonvektion kennzeichnet, mit Simulationen nachgewiesen. Die simulierten Druck- und Geschwindigkeitsfelder werden dazu genutzt, die aus der Literatur bekannte Modellvorstellung für den Tropfenausbruch zu bestätigen und zu verbessern.