Marangoni convection during droplet birth and coalescence
Final Report Abstract
Es konnten alle geplanten Aufbauten für die experimentellen Messungen umgesetzt werden. Damit sind nun punktuelle Konzentrationsmessungen mit Hilfe der Konfokalen Raman Spektroskopie möglich, wobei das Stoffsystem zur eindeutigen Analytik (Acetonitril als Übergangskomponente) verändert werden musste. Die genaue Visualisierung der Konzentration im Tropfen konnte durch ein Hochgeschwindigkeits-LIF-Messsystem mit hoher Auflösung realisiert werden. Zusätzlich wurde die Konzentration mittels Grenzflächenspannung bestimmt. Zu Beginn des Projektes wurden beide vorgeschlagenen numerischen Methoden zur Behandlung zweiphasiger Strömungen in Simulationen getestet. Es stellte sich dabei heraus, dass sich die Level-Set-Methode besser eignet, um die Tropfenbildung und die Koaleszenz abzubilden. Die nötigen Randbedingungen für die Tropfenbildung wurden implementiert und Simulationen zur Tropfenbildung wurden durchgeführt. Weiterhin wurde eine weitere Implementierung der Marangonikräfte getestet, welche eine bessere Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen lieferte. Außerdem wurde die adaptive Gitterverfeinerung, die für die Tropfenkoaleszenz zwingend benötigt wird, implementiert. Die adaptive Gitterverfeinerung wurde auch in Simulationen zur Tropfenbildung verwendet, um die Rechenzeiten dort deutlich zu reduzieren. Zur Validierung ist die Messung des Stofftransports mit sehr hoher Ortsauflösung erforderlich. Deshalb wurde zusätzlich eine ursprünglich nicht geplante Hochgeschwindigkeits-LIV-Messsystem aufgebaut. Erst durch die Visualisierung der Tropfenbildung mit bis zu 1000 fps wurde ein aussagekräftiger Vergleich mit den CFD-Simulationen möglich. Jedoch ist die Konzentrationsmessung in der ersten Sekunde bei der Tropfenbildung nicht zu realisieren, da der Tropfen noch zu klein ist. Gerade hier waren CFD Simulationen nützlich, um experimentell schwer zugängliche Initialphase zu beschreiben. Durch die Simulationen waren detaillierte und hochauflösende Betrachtung der Fluiddynamik und des Stofftransports während der vollständigen Tropfenbildungsphase möglich. Sobald der Tropfen die Mindestgröße überschreitet, kann die Änderung der Grenzflächenspannung experimentell aufgenommen werden. Durch beide Messverfahren ist eine gute Aussage bzgl. der Konzentration der Übergangskomponente im Bulk und an der Oberfläche des Tropfens möglich. Mit der Raman-Messung kann der Tropfen vom Inneren bis zur Phasengrenze hin vermessen werden, und so werden lokale Konzentrationsgradienten erfasst. Mit der Grenzflächenspannungsmessung wird die Grenzfläche des Tropfens über die Zeit und so ein Zusammenhang der lokalen Konzentration im Tropfen im Bezug zu der Grenzflächenspannung des Tropfens hergestellt. Bei der Tropfenbildung wurde durch LIF Aufnahmen die Konzentration visualisiert, damit kann die innere Konzentrationsverteilung mit der Raman-Messung verglichen werden. Des Weiteren sind zum Vergleich der Stoffsysteme Toluol/Aceton/Wasser und Toluol/Acetonitril/Wasser charakterisierende Aufstiegsversuche durchgeführt worden, ehe dann Koaleszenz eintritt, um so das Systemverhalten mit früheren Messdaten vergleichen und validieren zu können, wobei sehr gute Übereinstimmung erzielt wurden. Außerdem wurden weitere Tropfenaufstiege mit dem System Toluol/Aceton/Wasser simuliert, bei denen der Tropfendurchmesser variiert wurde. Als Referenz wurde zu jedem Tropfendurchmesser eine Simulation ohne Marangonikonvektion durchgeführt. Über Eigenmittel wurde in Kaiserslautern ein kontinuierlicher Laser (532 nm mit einer einstellbaren Leistung zwischen 0 und 2 W) angeschafft, der mit einer Hochgeschwindigkeitskamera schnellere Bildfolgen erlaubt, um so mit den CFD-Simulationen einen besseren Vergleich erzielen zu können. Zusätzlich ergaben sich für den Simulationsteil neue Erkenntnisse, welche drei ungeplante Erweiterungen nötigt machten. Eine andere Methode zur Kräfteimplementierung und die dynamische Lastenverteilung mussten implementiert werden, um bessere Übereinstimmungen mit experimentellen Ergebnissen und effizienter Berechnungen zu erreichen. Des Weiteren wurde eine Film- Drainage-Modell implementiert, welches ermöglicht für alle Fälle die physikalische anstatt der rein numerischen Koaleszenz abzubilden. Eine gute Übereinstimmung mit Ergebnissen aus der Literatur für Stoffsysteme ohne Marangonikonvektion konnte gezeigt werden. Die Modellerweiterung auf Stoffsysteme mit Marangonikonvektion wurde ebenfalls durchgeführt.
Publications
- (2017): "Binary Droplet Coalescence - Influence of Ions and Mass Transfer", Proceedings of ISEC 2017, Miyazaki, Japan
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J. Heine, H.-J. Bart
(See online at https://doi.org/10.1002/cite.201700045) - (2018): "Mass transfer during droplet formation", Proceedings of YRS 2018, ISBN: 978-3-8396-1365-8
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J. Heine, C. Wecker, E.Y. Kenig, H.-J. Bart
(See online at https://doi.org/10.1002/cite.201855383) - (2019): "Visualization of Marangoni phenomena during droplet formation", Proceedings of ICMF 2019, Rio de Janeiro, Brazil
J. Heine, C. Wecker, E. Kenig, H.-J. Bart
- (2019): "Visualization of Mass Transfer during Droplet Formation", Chem. Eng. Technol., 2019, 42, 1388-1394
J. Heine, H.-J. Bart
(See online at https://doi.org/10.1002/ceat.201800706) - (2019): “Local analysis of Marangoni effects during and after droplet formation“, Can. J. Chem. Eng., 2019, 98, 1164-1171
J. S. Heine, H.-J. Bart
(See online at https://doi.org/10.1002/cjce.23685)
