2010-01-25

Strömungsablösung in laminar-welligen Rieselfilmen

Dipl.-Ing. Georg Dietze, RWTH Aachen

26 Jan 2010, 12:00; Location: L1|08-4

Rieselfilme (d.h. dünne durch Gravitation getriebene flüssige Filme) spielen in einer Vielzahl technischer Prozesse in der Energie- und Verfahrenstechnik eine Rolle. In Kühltürmen wird z.B. Wasser auf sogenannte Rieseleinbauten gesprüht, wodurch sich ein verdunstender Film ausbildet. Rieselfilme aus flüssigem Lithium werden in der Kernfusionsforschung zur Kühlung der, das Plasma umgebenden, Kammerwände eingesetzt. In der Verfahrenstechnik werden sogenannte Fallfilmverdampfer zur Aufkonzentrierung eingesetzt. Solche Anlagen bestehen z.B. aus senkrechten Rohren, an deren Innenseite sich ein Rieselfilm ausbildet.

Ein wesentlicher Aspekt von Rieselfilmen ist ihre natürliche Instabilität gegenüber der Ausprägung 2- und 3-dimensionaler Oberflächenwellen. Die daraus folgende Welligkeit zeichnet sich durch große, durch einen Residualfilm getrennte, Wellenberge aus, denen kleinere sogenannte Kapillarwellen vorgelagert sind. Diese Oberflächenwellen modulieren bekanntermaßen die Transportprozesse innerhalb des Rieselfilms. So bewirken sie z.B. eine Intensivierung des Wärmeübergangs, unterstützen die Bildung thermokapillarer Strukturen und beeinflussen den Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung. Aus technischer Sicht ist demzufolge ein grundlegendes Verständnis der Wechselwirkung zwischen Wellendynamik und Impuls- bzw. Wärmetransport von Interesse. Das Phänomen der Strömungsablösung im Kapillarwellenbereich laminar-welliger Rieselfilme, welches Gegenstand des Vortrages ist, resultiert aus einer solchen Wechselwirkung.

Eine direkte Folge der Strömungsablösung in Rieselfilmen ist die Strömungsumkehr entgegen der Erdbeschleunigung, welche seit den ersten Untersuchungen von Kapitza (1948) bereits in einigen Arbeiten vermutet wurde. Nach einer kurzen Diskussion dieser Arbeiten, wird im Rahmen des Vortrages eine umfassende Erörterung der kapillaren Strömungsablösung auf Grundlage numerischer und experimenteller Daten vorgenommen. Dabei wird zuerst die Ausprägung des Phänomens bei 2-dimensionaler Wellendynamik behandelt. Anhand eines Beispiels wird die Kinematik, sowie der zugrundeliegende Entstehungsmechanismus des Phänomens erläutert. In diesem Zusammenhang wird gezeigt, dass im Kapillarwellenbereich eine starke Druckzunahme stattfindet, welche der Erdbeschleunigung, deren Wirkung sie übertrifft, entgegengerichtet ist, so dass die Strömung verzögert wird und sich schließlich von der Wand ablöst. Diese Druckzunahme wird durch eine Krümmungsänderung der Phasengrenze verursacht, welche in Folge der Wirkung von Oberflächenspannungskräften den Drucksprung über die Phasengrenze beeinflusst.

Im nächsten Schritt wird der Einfluss der Reynolds-Zahl und der Wellenfrequenz auf die Kinematik der kapillaren Strömungsablösung erörtert. Dabei wird gezeigt, dass der Ablösewirbel eine offene Form annehmen kann, wenn dessen Größe die minimale Filmdicke überschreitet. Im Anschluss an die rein fluidmechanische Betrachtung der 2-dimensionalen Strömungsablösung wird deren Einfluss auf die Wärmeübertragung innerhalb des Rieselfilms aufgeklärt. Dabei wird gezeigt, dass der entstehende Ablösewirbel konvektiven Wärmetransport senkrecht zur Wand verursacht, wodurch eine Steigerung des wandseitigen Wärmeübergangs stattfindet. Abschließend wird die Kinematik der Strömungsablösung in Rieselfilmen mit 3-dimensionaler Wellendynamik behandelt.

Dieser Vortrag wird zusammen mit dem Center of Smart Interfaces (CSI) angeboten.

Category: CE Seminar

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