Analyse von kapillar-dominanten Zweiphasenströmungen mit einer kombinierten Volume-of-Fluid und Level-Set Methode

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2008-12-19
Issue Year
2008
Authors
Gerlach, Daniel
Editor
Abstract

In the present thesis two-phase flows with fluid interfaces are analyzed taking the influence of surface tension and electrical surface forces into account. As method of analysis numerical simulations were performed, which were completed by analytical considerations and experiments. For the numerical simulations a computer program was implemented on the basis of the combined level-set and volume-of-fluid method, which allows a detailed study of surface tension dominant two-phase flows with strong deformations of the interface. A numerical method was developed, which allows to compute electrical surface forces in addition to capillary forces in the frame of the front-capturing approach used here. Extensive calculations of test problems and a validation of the computational results with theoretical and experimental data have proven that the present numerical simulation program is accurate for the analyses and predictions of the flow problems examined here. Aim of the present work was to study the process of bubble formation at submerged orifices, which is of importance for many industrial applications. The formation of bubbles at constant gas flow rates through the orifice and the initial rise of the bubbles after detachment were considered in detail. Of primary interest was to investigate the influence of operating conditions and fluid properties on the bubble volume after detachment and to identify the relevant physical mechanisms of the formation process. The bubble volume produced is crucial for the efficiency of many technical processes as it is the case in bubble columns, because it determines the interfacial area open for mass transport as well as the dynamics of rising bubbles. Furthermore, interactions between successive bubbles were studied under varying process conditions, which can lead to a double periodic formation instead of a periodic one, in which every second bubble is forced to detach earlier due to the influence of the previous bubble. The developed method to include electrical surface forces into the numerical scheme was applied to examine the bubble formation process under the influence of electric fields. The results show that a significant reduction of the bubble volume can be obtained with help of electric fields, as required for many technical applications. An extension of the numerical tool allowed to increase the range of application of the program from bubbly flows towards the spreading and infiltration of droplets on permeable layered substrates. The flow of the droplet on the porous media was coupled with a macroscopic model for the unsaturated flow inside the substrate. Numerical simulations were performed to study the process engineering problem of the application of droplets on permeable substrates, encountered, for example, in the process of ink-jet printing onto paper.

Abstract

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Analyse von Zweiphasenströmungen mit Grenzflächen unter Berücksichtigung von Kapillarität und elektrischen Oberflächenkräften. Als Analysewerkzeug wurde die numerische Simulation verwendet, ergänzt durch analytische Betrachtungen und Experimente. Ein Rechenprogramm wurde auf der Basis einer kombinierten Volume-of-Fluid und Level-Set Methode erstellt, das die genaue Untersuchung von kapillar-dominanten Zweiphasenströmungen mit starken Deformationen der Fluidgebiete zulässt. Darüber hinaus wurde eine numerische Methode entwickelt, mit der zusätzlich zur Kapillarität auch elektrische Oberflächenkräfte im Rahmen der hier verwendeten Front-Capturing Verfahren erfasst werden können. Umfangreiche Berechnungen von Testproblemen und Vergleiche der Simulationsergebnisse mit theoretischen und experimentellen Daten haben nachgewiesen, dass das Rechenwerkzeug zur Analyse und Vorhersage der hier betrachteten Strömungen geeignet ist. Motiviert wurde die Arbeit durch die Zielsetzung, den für viele technische Anwendungen relevante Vorgang der Blasenbildung an überfluteten Düsen zu untersuchen. Betrachtet wurde die Blasenbildung und der anfängliche Blasenaufstieg an Einzeldüsen bei kontinuierlicher Gaszufuhr. Im Vordergrund stand, den Einfluss verschiedener Betriebs- und Stoffgrößen auf das abgelöste Blasenvolumen zu bestimmen und die relevanten Mechanismen des Blasenbildungsprozesses herauszuarbeiten. Die erzeugte Blasengröße hat einen entscheidenden Einfluss auf die Effizienz von zahlreichen technischen Prozessen wie im Fall von Blasensäulen, da dadurch die für einen Stofftransport zur Verfügung stehende Oberfläche sowie die Dynamik der Blasen beim Aufstieg bestimmt wird. Darüber hinaus wurden Interaktionen von aufeinanderfolgenden Blasen unter verschiedenen Prozessbedingungen studiert, durch die das Ablösen der Blasen nicht mehr periodisch sondern doppeltperiodisch erfolgt, d.h. jede zweite Blase wird durch die vorangegangene beeinflusst. Erste Simulationen zur Blasenbildung unter dem Einfluss von elektrischen Feldern konnten ebenfalls durchgeführt werden. Es wurde gezeigt, dass im Fall von aufgeprägten Feldern eine deutliche Verringerung des Blasenvolumens durch die zusätzlich an der Fluidzwischenfläche wirkenden Kräfte erreicht werden kann. Durch eine geringfügige Erweiterung des entwickelten Rechenwerkzeugs wurde es ermöglicht, neben den Blasenströmungen auch die Ausbreitung und Absorption von Tropfen auf geschichteten, permeablen Substraten numerisch zu untersuchen. Die Strömung des Tropfens auf dem porösen Medium wurde hierzu mit einem makroskopischen Modell für die ungesättigte Strömung im Substrat gekoppelt. Das Rechenwerkzeug wurde angewandt, um verfahrenstechnische Fragestellungen zum Auftrag von kleinen Tropfen auf geschichtete, permeable Substrate, wie sie im Tintenstrahldruckprozess auf Papier auftreten, zu beantworten.

DOI
Document's Licence
Faculties & Collections
Zugehörige ORCIDs