Dynamics of falling films under the influence of a destabilizing body force

• Über die Dynamik von Filmströmungen unter dem Einfluss destabilisierend wirkender Volumenkräfte

Rietz, Manuel; Kneer, Reinhold (Thesis advisor); Scheid, Benoit (Thesis advisor)

Aachen (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Eine Kaskade von primären und sekundären fluiddynamischen Instabilitäten führt zu komplexen Wellenmustern auf der Oberfläche von fallenden Flüssigkeitsfilmen. Bei Fallfilmen unter dem Einfluss einer destabilisierenden Körperkraft kann die Entwicklung der Filmoberfläche durch eine deutliche Strukturierung quer zur Strömungsrichtung gekennzeichnet sein, die je nach den spezifischen Eigenschaften der Filmströmung mit einer Ablösung der Flüssigkeit vom Substrat (Abtropfen) einhergehen kann. Das Vorhandensein einer destabilisierenden Körperkraft umfasst in diesem Rahmen alle Konfigurationen, in denen Flüssigkeit normal zu einer Begrenzungswand beschleunigt wird, wobei der Beschleunigungsvektor von der Flüssigkeit in die umgebende Atmosphäre zeigt. Diese Arbeit liefert sowohl experimentelle als auch numerische Daten zur linearen und nichtlinearen Entwicklung von Fallfilmen unter dem Einfluss einer destabilisierenden Körperkraft mit besonderem Schwerpunkt auf dem Zusammenspiel von primären und sekundären Instabilitäten und der langfristigen Strukturierung der Filmoberfläche. Zunächst wird eine Software-Implementierung von Grenzschichtmodellen für Fallfilme, welche auf ’weighted-residuals’ Methoden beruhen, vorgestellt. Die vorgestellte Implementierung ermöglicht die schnelle Berechnung dreidimensionaler Wellenmuster in Fallfilmen durch die Verwendung von Spektralmethoden und GPU beschleunigtem Rechnen. Anschließend wird eine umfassende experimentelle Studie vorgestellt, in der die Entwicklung eines Fallfilms an der Außenseite eines rotierenden Zylinders unter Variation von Volumenstrom und Rotationsfrequenz analysiert wird. Korrelationen werden sowohl für die Wellenlänge als auch für die Einlauflänge der Entwicklung einer Strukturierung quer zur Strömungsrichtung bereitgestellt. Schließlich wird für den Fall eines Films auf der Unterseite einer geneigten Wand eine numerische Analyse der Strömungsentwicklung, der Wechselwirkung von primären und sekundären Instabilitäten der Filmoberfläche und der Strukturierung vor dem Abtropfen durchgeführt. In diesem Zusammenhang werden Simulationen der langfristigen Entwicklung des Filmflusses durch die Anwendung der eingeführten Software-Implementierung relevanter Fallfilmmodelle ermöglicht.