TU Darmstadt / ULB / TUprints

Experimentelle Untersuchungen zur Wandfilmdynamik und zur Zerstäubung von Flüssigkeiten auf rotierenden Scheiben

Freystein, Martin :
Experimentelle Untersuchungen zur Wandfilmdynamik und zur Zerstäubung von Flüssigkeiten auf rotierenden Scheiben.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

[img]
Preview
Text
1806_Dissertation_Freystein.pdf - Accepted Version
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons, Attribution Non-commerical, No-derivatives.

Download (21MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Experimentelle Untersuchungen zur Wandfilmdynamik und zur Zerstäubung von Flüssigkeiten auf rotierenden Scheiben
Language: German
Abstract:

Filmströmungen auf Rotationsscheiben sind in unterschiedlichsten technischen Anwendungen zu finden. Der breite Anwendungsbereich reicht von der chemischen Industrie über die Pharmaindustrie bis hin zur Raumfahrt. Allen Bereichen gemein ist die Bedeutung der Hydrodynamik der Filmströmung auf den Prozess. Eine umfassende Beschreibung der Filmströmung konnte noch nicht gefunden werden. Eine Validierung der zahlreichen numerischen Arbeiten ist aufgrund der limitierten experimentellen Ergebnisse nicht möglich. Die hohe Dynamik und die geringen Filmdicken von wenigen hundert Mikrometern erschweren die messtechnische Erfassung signifikant.

In der vorliegenden Arbeit wurde ein Versuchsstand konstruiert und aufgebaut, um die Hydrodynamik der Filmströmung auf Rotationsscheiben messtechnisch hochauflösend zu erfassen. Mittels optischer Messtechniken (Schwarz-weiß- und Infrarot-Hochgeschwindigkeitsaufnahmen sowie chromatische Schichtdickenmessung) wurden die Filmdicke, die Wellenstrukturen, die Tropfenbildung am Scheibenrand sowie die Tropfengrößen erfasst. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Zuverlässigkeit der Anlage, der verwendeten Messtechnik sowie der Auswertemethoden. Die chromatische Schichtdickenmessung konnte erfolgreich auf bewegte Oberflächen übertragen werden.

Es wurden in einem weiten Parameterbereich Versuche durchgeführt, um die Einflüsse unterschiedlicher Parameter wie Fluidmassenstrom, Düsendurchmesser, Drehzahl oder Beheizung unabhängig voneinander zu untersuchen. Die theoretisch/numerisch bestimmten radialen Filmdickenverläufe aus der Literatur konnten bestätigt werden. Es ist eine entdimensionierte Form der Darstellung gefunden worden, für die nahezu alle experimentellen Ergebnisse in einer Kurve zusammenfallen. Die vorliegende Arbeit stellt eine Datenbasis für die Validierung von numerischen Ansätzen zur Bestimmung der Filmströmung auf Rotationsscheiben dar.

Zur Charakterisierung der Welligkeit werden unterschiedliche Wege der tiefer gehenden Analyse vorgestellt. So können beispielsweise anhand einer Fourier-Transformation oder Rainflow-Matrix Unterschiede zwischen einer glatten und strukturierten Scheibenoberfläche herausgearbeitet werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Übertragung einer Oberflächenstrukturierung, die in vorherigen Arbeiten für Fallfilme eine wellendämpfende Wirkung hatte, im vorliegenden Fall nicht zu einer Wellendämpfung führt. Einer Dämpfung der Welligkeit im zentrumsnahen Bereich steht eine Verstärkung der Welligkeit im Randbereich gegenüber.

Die Untersuchung der Tropfenbildung am Scheibenrand und der Tropfengrößenverteilungen bestätigt die beobachteten Phänomene aus der Literatur. Ein Vergleich der Tropfengrößen mit Korrelationen aus der Literatur zeigt eine große Streuung der Korrelationen. Die Tropfengrößenverteilungen verbreitern sich durch die vorgestellte Oberflächenstruktur. Die große Streuung der Korrelationen weist darauf hin, dass die maßgeblichen physikalischen Einflussgrößen nicht berücksichtigt werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Film flows on rotating disks are widely used in technical application. The chemical industry, pharmaceutical industry and space flight are just a few examples. All applications share the importance of hydrodynamics of the film flow for the process. A comprehensive description could not yet be found. The validation of the various numerical studies is not possible due to the lack of experimental results. The dynamic of the process and the appearance of film thicknesses of only a few hundred micrometer are complicating the measurements. Within the framework of this work an experimental setup is designed and constructed. The film thickness, wave structure, and drop formation as well as drop sizes were measured with a high spatial and temporal resolution using optical measurement methods (black/white as well as infrared high speed imaging and chromatic thickness measurement). This work emphasizes the validity of the obtained data and the standard of the data analysis. The chromatic thickness measurement could successfully be transferred to moving surfaces. The influencing parameters like fluid mass flow rate, nozzle diameter, rotational speed, or heating power were independently analysed. The theoretically/numerically determined radial profiles of the film thickness as found in literature could be validated. Further a dimensionless possibility of illustrating all experimental results is presented. All experimental data is almost collapsing in one curve. The present thesis provides a database for the validation of numerical approaches for determining the film flow on rotating disks. Using different methods of data analysis such as Fourier transformation or Rainflow matrix, the waviness of the film flow is examined more deeply. Differences between the flat rotating disk and a disk with a structured surface could be found for the described methods. The damping effect of surface structures used for falling film applications could not be transferred to the film flow on rotating disks. While the waviness is decreased close to the center of the rotating disk, it is increased with increasing radial position approaching the edge of the disk. The investigation of drop formation and drop size distribution confirms the physical phenomena described in literature. Drop sizes are compared to different empirical correlations of literature and a wide spread is observed. A widened drop size distribution can be found for the rotating disk with a structured surface. The wide spread of the empirical correlations is indicating that the relevant physical influencing variables are not yet taken into account.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
Date Deposited: 29 Jun 2018 07:05
Last Modified: 29 Jun 2018 07:05
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-75111
Referees: Gambaryan-Roisman, Prof. Dr. Tatiana and Stephan, Prof. Dr. Peter and Tropea, Prof. Dr. Cameron
Refereed: 30 May 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7511
Export:
Actions (login required)
View Item View Item