Untersuchung der Stabilität und der Entstehung zwei- und dreidimensional-welliger Strömungsstrukturen unter dem Einfluss thermokapillarer Kräfte und elektro-magnetischer Felder
Final Report Abstract
Dieses DFG-RAN Kooperationsprojekt beschäftigt sich mit der Stabilität von Rieselfilmen unter dem Einfluss mechanischer Störungen und thermokapillarer Kräfte. Rieselfilme sind dünne, gravitations- oder schubspannungsgetriebende Flüssigkeitsschichten, die an festen Wänden herablaufen, ähnlich wie Regenwasser von der Windschutzscheibe eines Autos. Diese dünnen Filme sind zumeist durch eine wellige Oberflächentopologie gekennzeichnet, was z.B. dazu führt, dass die Windschutzscheibe bei Regen undurchsichtig wird. In der Verfahrenstechnik werden derartige Strömungen verwendet, wenn ein großer Stoffoder Wärmetransport zwischen dem flüssigen Film und der Wand oder der umgebenden Gasphase erwünscht ist. Eine Verbesserung der Transportkoeffizienten geht mit einer Reduzierung der Anlagengröße und somit der Baukosten einher. Auf Grund thermokapillarer Effekte sind die Wärmeströme, die von der Wand auf den Rieselfilm übertragen werden können begrenzt. Dabei besteht die Gefahr, dass der Film aufreißt und somit die Wand nicht mehr mit Flüssigkeit benetzt ist, was zur Zerstörung der Heizflächen führen kann. In einer Zusammenarbeit des Lehrstuhls für Wärme- und Stoffübertragung, RWTH Aachen mit dem Labor für Theoretische Thermophysik, Forschungsinstitut für Thermophysik, Sibirische Abteilung der Russischen Akademie der Wissenschaften (LTT, ITP SB RAW, Prof. Dr. O. Yu. Tsvelodub) im Rahmen der Vereinbarung der Deutschen Forschungsgemeinschaft mit der Russischen Stiftung für Grundlagenforschung wurden sowohl experimentelle Untersuchungen als auch Modellierungsansätze verfolgt. Experimentell wurden mit einer Modulation des Drucks zu Beginn eines Rieselfilms durch einen Lautsprecher regelmäßige zwei-dimensionale Wellen erzeugt. Störungen in Querrichtung führen zu Instabilitäten und somit zur Verformung der Wellenfronten. Mit Hilfe zusätzlicher, in den flüssigen Film eintauchender Nadeln wurden definierte Strukturen mit einer festen Wellenlänge in Querrichtung aufgeprägt. So konnten sehr definierte, drei-dimensionale Wellenfronten für unterschiedliche Reynolds-Zahlen und Anregungsfrequenzen erzeugt werden. Diese regelmäßigen, periodische Strömungsbedingungen wiesen sich durch eine sehr hohe Reproduzierbarkeit aus, die eine sequenzielle Messung der Wellenprofile in Querrichtung mit einem konfokal-chromatischen Punktmessgerät erlaubte. Aus den Einzelmessungen konnte mit Hilfe selbst entwickelter Auswerteroutinen die gesamte drei-dimensionale Wellentopologie rekonstruiert werden. Die in diesem Forschungsvorhaben bisher erzielten Messergebnisse eignen sich auf Grund der hohen Genauigkeit und der klar definierten Randbedingungen zur Validierung von Modellen zur Beschreibung von drei-dimensionalen Rieselfilmen (“Long-Wave” Theorie oder integrale Grenzschichtmodelle). Hierzu wurden die Messdaten dem russischen Projektpartner übergeben. Durch Anlegen eines zusätzlichen elektrischen Feldes wurde an der Oberfläche der dielektrischen Flüssigkeit eine weitere Kraft induziert, die stets von der Flüssig- in die Gasphase gerichtet ist. Der Betrag der Kraft korreliert mit der Filmdicke, so dass dieses elektrische Feld eine destabilisierende Wirkung auf die Wellenberge hat. In den durchgeführten Experimenten konnten Strömungsbedingungen, die mit ausgeschaltetem elektrischen Feld stabile Wellenfronten aufwiesen, durch ein elektrisches Feld derart beeinflusst werden, dass ein Aufbruch der Wellenfront eintrat. Für die Wärme- und Stoffübertragung bedeuten diese Erkenntnisse, dass von einer Intensivierung des Transports auszugehen ist. Einerseits führt das elektrische Feld zu einer Steigerung der maximalen, und somit zu einer Reduzierung der mittleren, effektiven Filmdicke, die wiederum den Transportwiderstand beschreibt. Andererseits ist beim Aufbrechen einer Wellenfront mit einer zusätzlichen Durchmischung der Bulk-Phase und einer Intensivierung des konvektiven Transports zu rechnen. Zur Aufklärung dieser Phänomene ist jedoch ein Einblick in das Strömungsfeld notwendig, weshalb sowohl direkte numerische Simulationen als auch Rechnungen mittels eines integralen Grenzschichtmodells durchgeführt wurden. Auf Basis des integralen Grenzschichtmodells konnten Kriterien für das Einsetzen von verschiedenen Strömungsphänomenen (Strömungsablösung in Wandnähe und zirkulierende Fluidstrukturen im Wellenberg) in Abhängigkeit dimensionsloser Kennzahlen erstellt werden.
Publications
- (2011). Investigation of the conservative system of equations for a vertically flowing liquid film. Microgravity Sci. Technol, 123-128
Arkhipov, D., Tsvelodub, O. Y.
- (2012). Experimental and numerical investigation of falling liquid films influenced by the presence of electric fields. Proceedings of the 6th International Berlin Workshop - IBW6 on Transport Phenomena with Moving Boundaries, November 24.-25., 2011, Berlin, Germany, Published VDI Fortschritt-Bericht VDI Reihe 3, Verfahrenstechnik 929, Düsseldorf VDI-Verlag, 2012
Rohlfs, W., Haustein, D., Dietze, Georg, F., Kneer, R.
- (2012). Experimental investigation of 3-dimensional wavy liquid films under the influence of electrostatic forces. Experiments in Fluids, 53(4), 1045-1056
Rohlfs, W., Dietze, Georg, F., Haustein, D., Tsvelodub, O., Kneer, R.
- (2012). Two-phase electrohydrodynamic simulations using a volume-of-fluid approach: A comment. J. of Computational Physics, 231, 4454-4463
Rohlfs, W., Dietze, Georg, F., Haustein, D., Kneer, R.
- (2013). Experimental investigation of 3-dimensional wavy liquid films under the coupled influence of thermo-capillary and electrostatic forces. European Physics J. Special Topic 219, 111-119
Rohlfs, W., Dietze, G., F., Haustein, D., Kneer, R.
(See online at https://doi.org/10.1140/epjst/e2013-01786-2) - (2013). Modeling of wave modes on a vertical film of a viscous ferromagnetic fluid flowing down a cylindrical electric conductor. Physics of Fluids, 25, 092101
Tsvelodub, O., Rohlfs, W., Kneer, R.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4819895) - (2014). On the stabilizing effect of a liquid film on a cylindrical core by oscillatory motions. Physics of Fluids, 26, 022101
Rohlfs, W., Binz, M., Kneer, R.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4863846) - (2014). Three-dimensional flow structures in laminar falling liquid films. Journal of Fluid Mechanics, 743, 75-123
Dietze, G. F., Rohlfs, W., Nährich, K., Kneer, R., Scheid, B.
(See online at https://doi.org/10.1017/jfm.2013.679) - (2015). Influence of gravity and electrostatic surface forces on the onset of rolling waves and flow reversal in falling liquid films Proceedings of the 7th International Berlin Workshop - IBW7 on Transport Phenomena with Moving Boundaries, October 30.-31., 2014, Berlin, Germany, Published VDI Fortschritt-Bericht VDI Reihe 3, Verfahrenstechnik 947, Düsseldorf VDI-Verlag, 2015
Rohlfs, W., Kneer, R., Scheid, B.
- Experimental investigation of thermal structures in regular three-dimensional falling films. European Physics J. Special Topic, March 2015, Volume 224, Issue 2, pp 355–368
Rietz, M., Rohlfs, W., Kneer, R., Scheid, B.
