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Dr. Markus Schubert
Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Fax: +49 351 260 - 2383

Prof. Dr. Uwe Hampel
Head
u.hampel@hzdr.de
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Zweiphasenströmung in engen Kanälen

Zweiphasenströmungen in engen kleinskaligen Kanälen mit hydraulischen Durchmessern im unteren Millimeterbereich spielen in Mikroreaktoren und strukturierten Reaktoren, kompakten Wärmetauschern, Mikrokondensationsanlagen oder Brennstoffzellen aufgrund der geringen Wärme- und Stofftransportwiderstände der Fluidschichten eine wichtige Rolle.

Dabei ist insbesondere die Taylorblasenströmung ein favorisiertes Strömungsregime, das sich durch einen intensiven Gas-Flüssigkeits-Kontakt im Film um die Taylorblasen und durch eine gute Durchmischung im Flüssigkeitspfropfen hinter der Taylorblase auszeichnet.

Die Kenntnis der Strömungstopologie sowie die präzise Vermessung der Flüssigkeitsfilmdicke und der Blasenform auf mikroskopischen Längenskalen ist ein entscheidender Faktor für die Entwicklung und Bewertung von grenzflächenauflösenden Strömungssimulationswerkzeugen.

Darauf aufbauend werden Transportmodelle entwickelt und Konzepte zur Prozessintensivierung vorgeschlagen. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten umfasst die Übertragung auf großskalige Anwendungen und die damit verbundene Beantwortung technischer Fragestellungen, wie beispielsweise die Realisierung gleichmäßiger Phasenverteilungen bei Mehrkanalkonfigurationen, um ein besseres Gesamtprozessverständnis zu erlangen.

Die gegenwärtigen Forschungsaktivitäten umfassen insbesondere:

Foto: Benchmark Taylorblase in Minikanälen - Referenzbild ©Copyright: Dr. Markus Schubert

X-ray tomographic analysis of Taylor bubble shape in small channels (Taylor bubble benchmark)

Liquid flow with Taylor bubbles are characterized by an intensified gas-liquid contact in the liquid film surrounding the Taylor bubbles and by an enhanced mixing in the liquid slugs downstream the Taylor bubbles. To disclose the three-dimensional shape of Taylor bubbles in small channels, enhanced X-ray radioscopic and X-ray tomographic measurement techniques were developed and qualified. These techniques provide benchmark validation data numerical flow models.
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Foto: Stofftransport in Minikanälen und Intensivierungskonzepte - Referenzbild ©Copyright: Dr. Markus Schubert

Mass transfer in small channels and process intensification concepts

Integral and local mass transfer for Taylor flow in channels with different diameters as well as different shapes and roughness can be achieved via reduction of bubble volume o­ver time. In particular, the effect of surfactants on mass transfer is clarified and explained by analyzing interface surfactant concentration and surface tension locally. In addition, a new concept for mass transfer intensification in small channels was studied using low-frequency horizontal vibrations of the mini-channel operated with freely rising Taylor bubbles in stationary water.
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Foto: Zweiphasenströmung in keramischen Monolithen - Referenzbild ©Copyright: Dr. Markus Schubert

Two-phase flow in ceramic monoliths

An intensification of heterogeneous catalytic reaction processes can be achieved by monolithic structures operated in the Taylor flow regime. To benefit from the excellent gas-liquid mass transfer behavior and tunable residence time of the Taylor flow regime in monolithic structures, homogeneous and well defined gas-liquid distribution patterns are required. A new methodology to evaluate the impact of flow maldistribution from the targeted process configuration using the ultrafast electron beam X-ray modality and a pseudo 2D reactor model is proposed.
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