Experimentelle Analyse ein- und zweiphasiger Filmströmungen auf glatten und strukturierten Oberflächen

Experimental Analysis of one and two Phase Film Flow on Smooth and Structured Surface Materials

  • Der Wärme- und Stoffübergang in Packungskolonnen wird erheblich durch die komplexe Fluiddynamik der flüssigen Phase(n) beeinflusst, für deren tiefergehendes Verständnis zwingend Informationen über das Geschwindigkeitsfeld benötigt werden, insbesondere auch im Hinblick auf die Validierung von CFD-Modellen. Zu diesem Zweck wurde eine neue Micro Particle Image Velocimetry Messmethodik entwickelte und in den Versuchsstand zur Analyse der Fluiddynamik von Filmströmungen integriert. Die neue Methode vDer Wärme- und Stoffübergang in Packungskolonnen wird erheblich durch die komplexe Fluiddynamik der flüssigen Phase(n) beeinflusst, für deren tiefergehendes Verständnis zwingend Informationen über das Geschwindigkeitsfeld benötigt werden, insbesondere auch im Hinblick auf die Validierung von CFD-Modellen. Zu diesem Zweck wurde eine neue Micro Particle Image Velocimetry Messmethodik entwickelte und in den Versuchsstand zur Analyse der Fluiddynamik von Filmströmungen integriert. Die neue Methode verwendet einen Kamerablickwinkel normal zur überströmten Oberfläche, so dass mit Hilfe eines Bildbearbeitungsfilters und einer Positionskorrektur infolge der Lichtbrechung die Messungen direkt durch die bewegte Gas-Flüssig-Phasengrenzfläche aufgenommen werden können. Somit besteht die Möglichkeit originale Packungsmaterialien mit ihren typischen Oberflächenstrukturen fluiddynamisch zu Untersuchen. Der Umweg über transparente Werkstoffe ist demnach nicht mehr erforderlich. Die Gegenüberstellung der Messungen nach der neuen und konventionellen Messmethodik zeigt über einen weiten Belastungsbereich eine sehr gute Übereinstimmung und somit die Anwendbarkeit der neuen Messmethodik. Weitere Untersuchungen einphasiger Filmströmungen auf glatten und strukturierten Oberflächen zeigen einen starken Einfluss der Aufgabeart und vor allem der Mikrostrukturen auf das Geschwindigkeitsfeld und die Filmdickenverteilung. Im Fall der heterogenen Filmströmung konnten erstmals die fluiddynamischenWechselwirkungen an der Flüssig-Flüssig-Phasengrenzfläche nachgewiesen werden. Die Analyse des Stofftransportes verschiedener heterogener Filmströmungen veranschaulicht eindeutig, dass der Einfluss dieser Wechselwirkungen auf den Stofftransport im Vergleich zur Änderung der Stoffaustauschfläche gering ist. Eine Weiterentwicklung des Bildbearbeitungsfilters ermöglicht die Bestimmung der Tiefenposition eines Partikels unter Ausnutzung seines Unschärfegrades, so dass bei Verwendung von nur einem Kamerasystem das komplette momentane Geschwindigkeitsfeld untersucht werden kann.show moreshow less
  • The heat and mass transfer in packed towers are strongly influenced by the complex fluid dynamics of the liquid phase(s). For a better understanding, particularly with respect to the validation of CFD models, information’s of the velocity field are urgently required. Therefore, a new micro Particle Image Velocimetry measurement method for film flow investigations was developed and integrated into the test cell for analyzing the fluid dynamic behavior. This new technique use a camera view normal The heat and mass transfer in packed towers are strongly influenced by the complex fluid dynamics of the liquid phase(s). For a better understanding, particularly with respect to the validation of CFD models, information’s of the velocity field are urgently required. Therefore, a new micro Particle Image Velocimetry measurement method for film flow investigations was developed and integrated into the test cell for analyzing the fluid dynamic behavior. This new technique use a camera view normal to the flooded surface. By using an image processing filter in combination with a position correction, which takes the refraction of light into account, the measurements can directly be done through the moving gas-liquid boundary. Thus, measurements on nontransparent smooth and textured surfaces are enabled. The comparison of the experimental results between the new and conventional measurement method shows a very good agreement over a wide liquid load range and thus the applicability of the new measurement technique. Further investigation of single-phase film flows on smooth and textured surfaces show a strong influence of the liquid feeder and the micro structures on the velocity field and film thickness distribution. In the case of the heterogeneous film flow, the fluid dynamics interactions at the liquid-liquid phase boundary can be identified and quantified for the first time. The analysis of the mass transfer of different heterogeneous film flow shows clearly that the influence of these interactions in comparison to the change in the mass transfer area is small. A further development of the image processing filter allows the determination of the depth position of each particle by utilization the degree of blurring. As a result of this, the complete instantaneous velocity field can be measured and analyzed with the use of only one camera.show moreshow less

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Metadaten
Author: Steve Paschke
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-33719
Advisor:Prof. Dr.-Ing. Günter Wozny
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2011/12/27
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Date of final exam:2011/09/16
Release Date:2011/12/27
Tag:Dreiphasenabsorption; Filmströmung; Mikrostrukturen; Rinnsalströmung; Tropfenströmung
Absorption; Droplet Flow; Liquid Film Flow; Microstructures; Rivulet Flow
Institutes:Institut für Prozess- und Anlagentechnik
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License Logo CC BY-SA: Creative Commons Lizenz: Namensnennung, Weitergabe zu gleichen Bedingungen