Stofftransport im Rieselfilm

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Marquardt; Professor Dr.-Ing. Michael Modigell; Professor Dr. Arnold Reusken
• Subject Area: Mechanical Process Engineering
• Term: from 2010 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 145021323

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Auf der Basis des Projektantrags wurde das Arbeitsprogramm dreigeteilt. Die Experimente wurden federführend von AVT.MVT (AG Modigell), die Modellierung und Identifikation von AVT.PT (AG Marquardt) und die numerische Strömungssimulation vom LNM (AG Reusken) bearbeitet. Experimentelle Untersuchungen: Für die experimentelle Untersuchung des Stofftransports in Rieselfilmen wurde die planare laserinduzierte Messmethode (PLIL) entwickelt. Sie ist eine optische 2D-Messmethode, die auf dem physikalischen Phänomen der Lumineszenz basiert und örtlich hochaufgelöste Messdaten liefert. Für eine erfolgreiche Anwendung dieser Messmethode war es nötig, einen geeigneten Messaufbau zu konstruieren sowie eine adäquate Bildbearbeitung und -auswertung zu erarbeiten. Es wurden Experimente für einen wässrigen Rieselfilm im Re-Zahlenbereich von 39 - 89 durchgeführt. Die Ergebnisse einer integralen Auswertung der so erhaltenen Messdaten stimmen mit Literaturwerten überein. Eine nähere Untersuchung der beobachteten Einzelwellen zeigt, dass im Wellenberg eine Intensivierung des Stofftransports stattfindet, die durch das Auftreten einer Rollzelle erklärt werden kann. Dieser experimentelle Befund ist nach unserem Wissen einzigartig. Die entwickelte PLIL-Messmethode ermöglicht, lokale Stofftransportphänomene zu beobachten und so einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung des Stofftransports im Rieselfilm zu leisten. Modellierung und Identifikation von Stofftransport in Rieselfilm: Für die Modellierung des Stofftransportproblems im Rieselfilm wurde in diesem Projekt ein reduzierter Ansatz untersucht. Hierbei wird nur der Stofftransport in der flüssigen, welligen Filmphase (Vernachlässigung der Gasphase) betrachtet, wobei das Geschwindigkeitsfeld und die zeitlich veränderliche Filmgeometrie durch Lösung eines Long-Wave-Ansatzes approximiert wird. Um das vorgeschlagene Stofftransportmodell zu validieren, wurden eine Reihe von Vorwärtssimulationen für einen vertikalen gasabsorbierenden Wasserfilm bei Reynoldszahlen Re von 5 bis 200 durchgeführt und mit vorhandenen integralen Stoffübergangswerten aus der Literatur verglichen. Die entsprechenden Ergebnisse für den glatten Film werden aus Gründen der Vollständigkeit ebenso vorgestellt. Die mithilfe des reduzierten Modells berechneten lokalen Konzentrationsverläufe zeigen eine gute qualitative Übereinstimmung mit unseren in den Experimenten gewonnenen Messdaten sowie anderen Ergebnissen aus der Literatur. Die Anwendbarkeit des entwickelten Vorwärtssimulationswerkzeug ist ein wichtiger Schritt für die weitere Entwicklung des inkrementellen Verfahrens zur Schätzung effektiver Diffusionskoeffizienten. Numerische Simulation: Bei der detaillierten numerischen Simulation des Stofftransports im Rieselfilm liegt die Hauptkomplexität in der Simulation der Hydrodynamik, da es sich hierbei um ein zweiphasiges Strömungsproblem mit großer dynamischer Grenzfläche und stark unterschiedlichen Dichte- und Viskositätskoeffizienten in den beiden Phasen handelt. Zur Simulation der Zweiphasenströmung kommt der Finite-Elemente-Löser DROPS zum Einsatz, der u.a. spezielle Diskretisierungen für das Grenzflächenspannungsfunktional sowie den Drucksprung an der Grenzfläche verwendet. Die erhaltenen 3D-Simulationsergebnisse zeigen hufeisenförmige Wellenmuster sowie eine Rückströmungszone, wie sie auch in experimentellen und anderen numerischen Untersuchungen beobachtet werden. Neben der direkten numerischen Simulation wurden numerische Methoden zur effizienten Behandlung des reduzierten Modellansatzes entwickelt. Hierbei kommen eine stabilisierte ALE- Finite-Elemente-Methode zur Lösung der Konvektionsdiffusionsgleichung auf der bewegten Filmgeometrie zum Einsatz. Diese Arbeiten stehen in einem engen Zusammenhang mit den Arbeiten zur Modellidentifikation.

Publications

• Experimental Identification of Effective Mass Transport Models in Falling Film Flows. In: 6th International Berlin Workshop (IBW6) on Transport Phenomena with Moving Boundaries, Berlin, Germany, 24.-25.11.2011
  Paul Bandi, Sven Gross, Maka Karalashvili, Adel Mhamdi, Hans Pirnay, Liang Zhang, Wolfgang Marquardt, Michael Modigell, Arnold Reusken
  
• A reduced model for mass transport in wavy falling films. In: ACEX 2013, Madrid, 01.-04.07.2013
  Paul Bandi, Hans Pirnay, Liang Zhang, Sven Gross, Adel Mhamdi, Wolfgang Marquardt, Michael Modigell, Arnold Reusken
  
• Experimentelle Bestimmung zweidimensionaler Konzentrationsverteilungen im laminar-welligen Rieselfilm. In: Jahrestreffen der Fachgruppen Fluidverfahrenstechnik und Wärme- und Stoffübertragung, Baden-Baden, 20.-21.03.2013
  Paul Bandi, Michael Modigell
  
• Highly Resolved 2D-Measurements of Local Concentration Distributions in Thin Liquid Wavy Films. In: ACEX2013, Madrid, Spain, 01.-04.07.2013
  Paul Bandi, Michael Modigell
  
• A Reduced Model for Mass Transport in Wavy Falling Films. In: 7th International Berlin Workshop (IBW7) on Transport Phenomena with Moving Boundaries, Berlin, Germany, 30.-31.10.2014
  P. Bandi, S. Gross, A. Mhamdi, Y. Heng, L. Zhang, W. Marquardt, M. Modigell, A. Reusken
  
• Identification of Effective Mass Transport Models in Falling Film Flows. In: 2014 AIChE Annual Meeting, Atlanta, GA, USA, 16.-21.11.2014
  Yi Heng, Adel Mhamdi, Hans Pirnay, Wolfgang Marquardt, Liang Zhang, Sven Gross, Arnold Reusken, Paul Bandi, Michael Modigell