A Lagrangian Model for the Prediction of Bubble Breakup

Beschreibung

In vielen chemischen und biochemischen Prozessen spielt der Stoffübergang zwischen Gas- und Flüssigphase eine zentrale Rolle. Gasförmige Stoffe gelangen dabei meist in Form von Blasen ins System, wobei der Stofftransport an deren Oberfläche erfolgt. Prozesse wie Blasenzerfall (Breakup) und Koaleszenz beeinflussen die Gesamtoberfläche und damit den Stoffübergang maßgeblich. Weitere Einflussfaktoren sind Konzentrationsunterschiede und Grenzschichtdicken, die den chemischen Potentialunterschied – den Antrieb des Stofftransfers – bestimmen. In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Modell zur Beschreibung des Blasenzerfalls entwickelt, implementiert und validiert. Das Modell basiert auf einer trajektorienbasierten Methode, bei der jede Blase als Kelvin-Voigt-Element individuell betrachtet wird und sich wie ein rotierendes Ellipsoid verhält. Die Oberflächenspannung wirkt als theoretische Feder, die die Blase in ihre Gleichgewichtsform (eine Kugel) zurückführt, während die Viskosität des Gases durch einen Dämpfer modelliert wird. Die Deformation wird mittels einer Lagrange-Analyse beschrieben. Der Blasenzerfall wird durch den Vergleich von Oberflächenspannung und Trägheitskräften (z. B. Auftrieb) bestimmt. Anfangs wird die Trägheitskraft vereinfacht durch den Auftrieb angenähert, was jedoch eine Schwäche des Modells darstellt, da dies keine Berücksichtigung der Strömungsbedingungen erlaubt. Daher wird eine präzisere Formulierung der Widerstandskraft (drag force) entwickelt. Beide Modellvarianten werden mittels Lattice-Boltzmann-Simulationen getestet. Der resultierende Stoffübergang wird mit Hilfe der Penetrationstheorie oder einer Sherwood-Korrelation berechnet und mit experimentellen Daten validiert.

Autor*in

Christian Weiland

Themen in »A Lagrangian Model for the Prediction of Bubble Breakup«

Multiphase flows, Bubble breakup, trajectory-bueed methods computational fluid dynamics, Bubble size distributin, Masstransfer Mehrphasenströmungen, Blasenzerfall, Trajektorienbasierte Methoden Numerische Strömungsmechanik, Blasengrößenverteilung, Stofftransport

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