Einfluss lokaler Phänomene auf den Stofftransport an Gasblasen in Zweiphasenströmungen

Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Beschreibung und Modellierung von lokalen Stofftransportphänomenen, wozu experimentelle Untersuchungen der in der unmittelbaren Umgebung von Gasblasen auftretenden Vorgänge, den sogenannten Wirbelschleppen, erforderlich sind. Hierfür bietet sich die laserinduzierte Fluoreszenzmesstechnik an, die eine quantitative Vermessung von Konzentrationsfeldern und somit eine Ermittlung von lokalen Massenströmen ermöglicht. Um den Schwarmeinfluss auf den lokalen Stofftransport an Gasblasen mit Hilfe von optischen Messtechniken zu untersuchen, wird ein Partikelgitter zur Erzeugung von schwarmrelevanten Strömungsbedingungen verwendet. Anhand der durchgeführten lokalen Untersuchungen zeigt sich ein signifikanter Einfluss der Umströmungsverhältnisse auf den Stofftransport an Gasblasen. Ebenso werden Einflüsse der Formdynamik einer Gasblase im Blasenschwarm aufgezeigt und eine Einflussnahme der Wirbelschleppenausbildung auf den Stofftransport erarbeitet. Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse erfolgt eine Beschreibung von Stofftransportphänomenen. Zusätzlich sind Untersuchungen zum Stofftransport in realen Blasenströmungen mit hohem Gasgehalt durchgeführt worden, um praxisrelevante Daten für eine fundierte Modellbildung zu erhalten. Hierdurch wird auch die technische Bedeutung lokaler Phänomene bestätigt.

Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen schließlich, ein Stofftransportmodell für ellipsoide forminstabile Gasblasen zu entwickeln, welches sich an die bekannte Penetrationstheorie anlehnt. Hierfür werden entscheidende Stofftransportphänomene durch eine physikalisch begründete Unterteilung des Strömungszustandes in ungestörte, homogene und heterogene Strömung sowie der Formdynamik in stochastische Formschwankungen und zeitlichen Änderungen des Blasengrößenverhältnisses (Wirbelablösung) berücksichtigt. Ein Vergleich der berechneten Stoffübergangskoeffizienten mit experimentellen Ergebnissen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung, so dass die neuen Berechnungsmethoden eine wesentliche Verbesserung im Vergleich zu bestehenden Modellen bzw. empirischen Auslegungsgleichungen darstellen.