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Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Röntgentomographische Analyse von Taylorblasen in Minikanälen (Benchmark Taylorblase)

Die Taylorströmung ist durch einen intensivierten Gas-Flüssigkeits-Kontakt im Film um die Taylorblase und durch eine gute Durchmischung im nachfolgenden Flüssigkeitspfropfen charakterisiert.

Im Rahmen des Schwerpunktprogramm SPP 1506 „Transportprozesse an fluiden Grenzflächen“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) wurde die Leitmaßnahme „Taylor-Flow“ als systematisches Taylorblasen-Referenzexperiment definiert, welches als Benchmark zur Validierung mathematischer Modelle und numerischer Methoden dient.

Am HZDR wurden dazu röntgenradiographische und röntgentomographische Messverfahren weiterentwickelt, um die dreidimensionale Gestalt der Taylorblasen in engen Kanälen zu bestimmen. Experimente an der Synchrotronstrahlungsquelle ANKA (KIT Karlsruhe), ermöglichen die exakte Vermessung der Taylorblasenform in den Kanälen. Bei einer effektiven Bildpunktauflösung von 5,6 µm und Belichtungszeiten von nur 1/36000 Sekunden und entsprechend hohen Bildraten waren selbst kleinste Details wie die Krümmung der Grenzfläche an der Blasenspitze oder die Wölbung am Blasenende bestimmbar. Parametrische experimentelle Untersuchungen wurden für verschiedene Kanalquerschnitte (rund, quadratisch) und Geschwindigkeiten (Ub = 20-320 mm/s) für wässrige Glycerol-Lösungen (Ca = 0,01-0,16) durchgeführt und als Validierungsdaten für numerische Strömungssimulationsverfahren („Interface Capturing and Tracking“-Verfahren, „Sharp Interface and Diffuse Interface“-Verfahren) bereitgestellt.



Weiterführend wurden experimentelle Untersuchungen unter Verwendung eines Mikrofokus-Röntgenbildgebungssystems durchgeführt. Taylorblasen wurden dabei in einer Flüssigkeits-Gegenströmung auf einer festen vertikalen Position in Kanälen mit hydraulischen Durchmessern von 6 mm gehalten und dreidimensionale Abbildungen mit effektiven Bildpunktauflösungen von 27 µm tomographisch erzeugt werden. Damit konnte erstmals in quadratischen Kanälen die mit optischen Verfahren nicht zugängliche Oberfläche nicht-symmetrischer Taylorblasen vermessen werden. Mit den Ergebnissen der Mikrofokus-Röntgentomographie wurde ein radioskopisches Messverfahren qualifiziert, mit dem der Stofftransport an Taylorblasen auch unter dem Einfluss von oberflächenaktiven Substanzen quantifiziert und bewertet werden kann.



Kooperation

  • TU Darmstadt,
  • RWTH Aachen,
  • KIT Karlsruhe,
  • TU Hamburg-Harburg,
  • FAU Erlangen-Nürnberg,
  • OvGU Magdeburg,
  • TU Dresden,
  • ANKA synchrotron radiation source - KIT Karlsruhe

Förderung

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, HA3088/7–1)

Referenzen



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