Einfluss strukturierter Oberflächen und einer Gasgegenströmung auf die hängende Filmströmung bei der Ausbildung von Rayleigh-Taylor Instabilitäten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jens-Uwe Repke
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426726119

Filmströmungen sind ein weit verbreitetes fluiddynamisches Phänomen in technischen Apparaten, deren detaillierte Kenntnis und genaue Beschreibung zur Modellierung, Auslegung und Steuerung technischer Prozesse notwendig sind. In der Vergangenheit wurde dazu die Filmströmung vorrangig an liegenden und vertikalen Flüssigkeitsfilmen studiert, wobei nachgewiesen werden konnte, dass strukturierte Oberflächen und eine Gasgegenströmung einen erheblichen Einfluss auf das fluiddynamische Verhalten liegender und vertikaler Filmströmungen haben. Die ebenfalls in technischen Apparaten auftretende hängende Filmströmung ist bisher nur in vereinzelten Arbeiten erforscht worden, wobei eine Beschreibung des Einflusses strukturierter Oberflächen und eines Gasgegenstroms vollkommen fehlt. In hängenden Filmströmungen herrscht ein grundlegend anderes fluiddynamisches Verhalten im Vergleich zur liegenden oder vertikalen Filmströmungen, was durch das Auftreten von Rayleigh-Taylor-Instabilitäten (RTI) und der damit verbundenen Tropfenablösung aus dem hängenden Flüssigkeitsfilm deutlich wird. Eigene Vorarbeiten zu diesem Antrag zeigen, dass eine strukturierte Oberfläche die Ausbildung der RTI begünstigt und bereits publizierte theoretische Abschätzungen zum Auftreten von RTI auf glatten Oberflächen nicht anwendbar sind. Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher den Einfluss strukturierter Oberflächen und einer Gasgegenströmung auf das fluiddynamische Verhalten der hängenden Filmströmung bei der Ausbildung von RTI aufzuklären. Dazu sollen charakteristische fluiddynamische Kenngrößen wie der kritische Winkel zum Übergang der verschiedenen Rayleigh-Taylor Instabilitätsformen, der Abtropfvolumenstrom und Filmdicken experimentell auf einer 2D-Wellenstruktur und einer 3D-Pyramidenstruktur bestimmt werden. Zur Bestimmung der Filmdicken soll das optische nichtinvasive Messverfahren Light Induced Fluorescence (LIF) zum Einsatz kommen. Aus den experimentellen Daten sollen weiterhin mathematische Korrelationen erstellt werden, welche prädiktive Abschätzungen zum Auftreten der RTI und der damit verbundenen Tropfenablösung aus der hängenden Filmströmung an strukturierten Oberflächen mit und ohne Gasgegenstrom bei verschiedenen Stoff-, Kinetik- und Geometrieparametern ermöglicht. Die wissenschaftliche Erkenntnisse aus diesem Projekt stellen eine Grundlage für mögliche im Anschluss zu entwickelnde Auslegungskonzepte technischer Apparate, sowie eine Grundlage für die Validierung zukünftiger numerischer Strömungssimulationen dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen