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Main Title: Analyse der Tropfendeformation und des Tropfenbruchs in turbulenter Strömung
Translated Title: Analysis of drop deformation and drop breakage in turbulent flow
Author(s): Nachtigall, Stephanie
Advisor(s): Kraume, Matthias
Referee(s): Kraume, Matthias
Bart, Hans-Jörg
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Das Dispergieren zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten ist Bestandteil zahlreicher Prozesse der chemischen, pharmazeutischen oder lebensmittelverarbeitenden Industrie. Die Größenverteilung der dispersen in der kontinuierlichen Phase beeinflusst dabei nicht nur die Effizienz einiger Prozesse, sondern auch resultierende Eigenschaften wie die Stabilität und Rheologie emulgierter Produkte. Trotz vorliegender industrieller Bedeutung fehlen immer noch zuverlässige Modelle zur Beschreibung und Vorhersage der Tropfengrößenverteilungen. In diesem Zusammenhang müssen die beiden in Konkurrenz stehenden Phänomene des Tropfenbruchs (Zerteilung von Tropfen) und der Tropfenkoaleszenz (Zusammenfließen von Tropfen), welche letztlich die Tropfenbildung bestimmen, betrachtet werden. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf dem Tropfenbruch. Übergeordnetes Ziel ist es, zu einem besseren physikalischen Verständnis des Bruchvorgangs einzelner fluider Partikel in turbulenter Strömung beizutragen. Durch ein umfassendes Versuchsprogramm wurde dazu eine umfangreiche experimentelle Datenbasis erarbeitet. Mittels Hochgeschwindigkeitskamera erfolgte eine detaillierte Analyse des Verhaltens einzelner Tropfen in turbulenter Strömung im Nachlauf eines einzelnen Rührerblatts eines 6-Blatt-Scheibenrührers. Durch eine eigens dafür ausgearbeitete Auswertungsroutine wurde eine objektive Bewertung von mindestens 1000 Tropfen für jeden untersuchten Parametersatz realisiert. Neben der Bestimmung der Bruchwahrscheinlichkeit und des zugehörigen Bruchorts wurden auch die entstehenden Tochtertropfen hinsichtlich Größe und Anzahl analysiert. Zusätzlich wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Methode entwickelt, um die Deformationsdynamik in detaillierter Form bewerten zu können. Inwieweit die Ergebnisse zur Vorhersage von Größenverteilungen bruchdominierter gerührter Flüssig/flüssig-Systeme herangezogen werden können, wurde durch experimentelle Vergleichsuntersuchungen abschließend bewertet. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass unterschiedliche Beanspruchungsmechanismen eine Rolle spielen können. Insbesondere für höherviskose Tropfen, aber auch mit abnehmendem Tropfendurchmesser oder aber allgemein beim Vorliegen eines sehr großen Bruchwiderstands, also bei sehr großen Verhältnissen zwischen formerhaltenden und deformierenden Spannungen, treten komplexere Bruchmechanismen auf. Synergetische Effekte unterschiedlicher Beanspruchungsarten sind wahrscheinlich und es ist möglich, dass mehrere turbulente Wirbelstrukturen unterschiedlicher Größe in den Zerfallsvorgang involviert sind. Die experimentelle Bruchrate aller untersuchten Einzeltropfen wird nur durch den Bruchwiderstand bestimmt. Das Vorliegen einer kritischen makroskopischen Tropfendeformation, die erreicht werden muss, damit ein Tropfen bricht, kann durch die erarbeiteten experimentellen Daten nicht bestätigt werden. Lediglich bei höherviskosen Tropfen ist ein solcher kritischer Wert nicht auszuschließen. Diese Tropfen werden nicht nur insgesamt stärker deformiert, die Deformationen dauern zudem deutlich länger und es treten verglichen mit niedrigviskosen Tropfen verstärkt Tropfenoszillationen auf. Insgesamt kann die Bruchrate qualitativ als Kriterium zur Übertragung der Einzeltropfenergebnisse auf eine gerührte bruchdominierte Dispersion herangezogen werden. Auch das Verhalten der Größenverteilungen ist in beiden Versuchsanlagen qualitativ gleich.
The dispersion of two immiscible fluids is part of many processes in chemical, pharmaceutical or food industry. Resulting drop size distributions thereby determine the efficiency of several processes, but also the stability and rheology of the resulting emulsions. Nevertheless no reliable model for the description of drop size distributions is available in literature. Consequently, drop breakage and drop coalescence, which determine the drop formation, still need to be investigated in more detail. This work focuses on drop breakage; aim is the improvement of the physical understanding of drop breakage mechanism in turbulent flow. Comprehensive experiments were conducted and the behavior of single drops in the turbulent vicinity of a single stirrer blade of a Rushton turbine was analyzed by high-speed imaging. At least 1000 drops were examined for each parameter set. Image data was evaluated fully automatically and the breakage probability and location, as well as the resulting daughter drops were determined. Furthermore, a method was developed in order to describe the dynamics of the drop breakage process properly. Finally the comparability of single drop breakages with the behavior of drop size distributions in breakage dominated stirred systems was discussed. This work shows different breakage mechanisms occurring in the turbulent flow field. Especially breakage of fluids with higher viscosity or breakage of smaller drops is more complex. In that case synergetic effects of different breakage mechanisms are most probable. More than one eddy can be involved in the breakage process and an influence of eddies with different sizes is also possible. In general such behavior was found with increasing breakage resistance, which is defined through the relation between stabilizing and deforming stresses. The experimentally determined breakage rate is only influenced by the breakage resistance. No critical value for the macroscopic drop deformation, which must be exceeded for fragmentation, can be derived from experimental results. Only for higher viscosity drops such a critical value cannot be excluded. These drops generally show more pronounced deformations than drops with low viscosity. Furthermore, the deformations take more time and more oscillations prior the fragmentation occur. The behavior of the breakage rate is at least qualitatively comparable to those of the Sauter mean diameter in breakage dominated stirred dispersions. Also the drop size distributions behave comparable in both set ups.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5816
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5421
Exam Date: 5-Jul-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 2-Aug-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::660 Chemische Verfahrenstechnik
Subject(s): Tropfenbruch
turbulente Strömung
Tropfendeformation
Bruchmechanismen
Tropfengrößenverteilung
drop breakage
turbulent flow
drop deformation
breakage mechanisms
drop size distribution
Sponsor/Funder: DFG, KR1639/15-1, Modelling, Simulation and Control of Drop Size Distributions in Stirred Liquid/liquid Systems
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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