Experimentelle Untersuchung reibungsbehafteter Strömungen in einer teilgefüllten rotierenden Trommel
Final Report Abstract
Technische Apparate, in denen hochviskose Stoffe unter Teilfüllung kontrolliert verarbeitet werden sollen, besitzen in der Regel rotierende und fest stehende Bauteile. Um die Funktion solcher Apparate bewerten und beeinflussen zu können, sind fundierte Kenntnisse über reibungsbehaftete Strömungen mit freien Oberflächen erforderlich. In diesem Projekt ging es darum, grundlegende Erkenntnisse anhand eines geometrisch einfachen Systems zu erarbeiten. Es besteht im Wesentlichen aus einer horizontal ausgerichteten, rotierenden Trommel, die teilweise mit einer zähen Flüssigkeit und im Übrigen mit Luft gefüllt ist, sowie einer im Inneren fest stehenden, abschabenden Platte. Im Zusammenspiel zwischen Rotor und Stator sind betriebsbedingt mehrere qualitativ unterschiedliche Strömungszustände möglich, deren Existenzbereiche im Raum der relevanten Kennzahlen gegeneinander abgegrenzt werden konnten. Die Ergebnisse einer systematischen Parameterstudie ermöglichen, die einzelnen Strömungszustände gezielt einzustellen, und erwiesen sich bei den nachfolgenden Arbeitsschritten als sehr nützlich. Eingehender untersucht wurden gewisse Szenarien beim Übergang zwischen zwei Grundzuständen, die mit einer Umverteilung und einer intensiven Durchmischung der zähen Flüssigkeit verbunden sind. Ein zyklischer Prozess dieser Art könnte für die Hochviskostechnik interessant sein. Zur Visualisierung der Phasengrenze wurde zunächst eine optische Methode eingesetzt, mit der aber die Grenzfläche in der Nähe des Rotors nicht vollständig erkannt werden konnte. Abweichend vom ursprünglichen Konzept wurde deshalb der Einsatz der Computer- Tomographie (CT) erprobt, deren Potential in der experimentellen Strömungsmechanik bisher kaum genutzt wird. Nach Anpassung des Versuchsstands an die Gegebenheiten eines modernen CT-Geräts, dank sorgfältiger Vorbereitung der Messkampagnen und durch adäquate Auswertung der Rohdaten gelang es, die räumlichen Verteilungen der fluiden Phasen mit ihren Grenzflächen für verschiedene Betriebszustände in hoher Auflösung zu visualisieren. Die zugehörigen Geschwindigkeitsfelder in der hochviskosen Flüssigkeit wurden mit Hilfe der Particle Image Velocimetry (PIV) ermittelt. Mit einem variablen PIV- Aufbau konnte der Einfluss der Kennzahlen auf die reibungsbehaftete Strömung in der teilgefüllten Trommel deutlich aufgezeigt werden. Das bildgebende CT-Verfahren und die Feldmesstechnik PIV erwiesen sich gleichermaßen als sehr geeignete Hilfsmittel zur experimentellen Untersuchung des fluiddynamischen Mehrphasensystems. Das Projekt wurde durch umfangreiche theoretische Arbeiten begleitet. Insbesondere gelang es, die dreidimensionale Innenströmung mit a priori unbekannter freier Oberfläche durch Lösung eines freien Randwertproblems auf der Basis der Navier-Stokesschen Gleichungen für ausgewählte Parameterwerte numerisch zu simulieren. Detaillierte Berechnungsergebnisse validieren weitgehend die experimentellen Befunde. Hochviskose Flüssigkeiten besitzen häufig nichtnewtonsche Stoffeigenschaften, die noch komplexere teilgefüllte Zustände als bei rein viskosen Flüssigkeiten erwarten ließen. Mit einer makromolekularen, nichtlinear viskoelastischen Versuchsflüssigkeit wurden beachtenswerte, teilweise überraschende Phänomene nachgewiesen, die innerhalb des Förderungszeitraums aber nicht mehr erschöpfend analysiert werden konnten.
Publications
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Viscous flow phenomena in a partially filled rotorstator system. Arch. Appl. Mech. 75 (2006) 619-634
Böhme, G.; Pokriefke, G.; Müller, A.
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Bestimmung der Phasengrenze in einem rotierenden System durch LIV und Röntgen-CT. In: Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik (Hsg.: Ruck, B.; Leder, A.; Dopheide, D.), Deutsche Gesellschaft für Laser-Anemometrie 2008, 19/1-8
Zucht, A.; Böhme, G.
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Untersuchung der Phasengrenze eines fluiddynamischen Systems mit experimentellen und numerischen Methoden. Forschung im Ingenieurwesen 72 (2008) 241-258
Zucht, A.; Müller, A.; Böhme, G.
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Investigation of viscous flow phenomena in a rotating system. Proc. Appl. Math. Mech. 9 (2009) 479-480
Zucht, A.; Böhme, G., Müller, A.
