Planare Laserinduzierte Fluoreszenz zur experimentellen Analyse des Gastransports in Filmströmungen in Anwesenheit einer einzelnen Mikrostruktur
Kapoustina, Viktoria
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird, nach Wissen des Autors, erstmalig der Einfluss einer einzelnen Mikrostruktur auf den lokalen Gas-Flüssig-Stofftransport experimentell beschrieben. Damit ist die Arbeit klar abzugrenzen von experimentellen Studien anderer Forschungsgruppen, die sich bislang ausschließlich mit der Analyse integraler Stofftransport-Parameter beschäftigen. Eine nicht-invasive, optische Messung auf Basis der Planaren Laserinduzierten Fluoreszenz mit Fluoreszenzquenching liefert ortsaufgelöste Bilder zur Beschreibung des Gaseintrags in eine Filmströmung.
Die Untersuchungen erfolgen an geneigter Platte in einer dünnen Rieselfilmströmung, die von einem Gas (synthetische Luft bzw. Sauerstoff) überströmt wird. Die Versuchsparameter sind derart gewählt, dass sich eine laminare und stationäre Flüssigkeitsströmung ausbildet. Der Gaseintrag in die Flüssigkeit wird mittels Kamera erfasst und bildanalytisch ausgewertet.
Im direkten Vergleich zu einer komplett glatten Oberfläche kann gezeigt werden, dass signifikante lokale Stofftransport-Steigerungen entlang einer einzelnen Mikrostruktur stattfinden. Die höchsten lokalen Stofftransportkoeffizienten werden dort gemessen, wo die lokale Filmhöhe, bedingt durch die Anwesenheit der Struktur, erniedrigt ist. Auch kann gezeigt werden, dass der den Stofftransport intensivierende Einfluss der Struktur bei schwächer gasbeladener Flüssigkeit deutlicher ist als bei gasreicher Flüssigkeit.
Die Fließmessungen finden unter Variation der flüssigseitigen Reynoldszahl, der Gasphasenzusammensetzung sowie des Gasvolumenstroms statt. Zu jeder Messung wird der integrale Stofftransportkoeffizient als Referenz mitgemessen. Auf diese Weise werden kausale Zusammenhänge bestimmt (z. B. Stofftransportintensivierung durch Erhöhung des Gasvolumenstroms). Allerdings liefert die integrale Messung keinerlei Aussagen darüber, wie die Einzelbeiträge zum Gesamt-Stofftransport innerhalb der Messkammer verteilt sind. Diese Informationen kann nur die Messung lokaler Stofftransportkoeffizienten liefern.
In the present work, the influence of a single microstructure on the local gas-liquid mass transport is described experimentally for the first time to the knowledge of the author. This clearly distinguishes the work from the experimental work of other research groups which have so far dealt exclusively with the analysis of integral mass transport parameters. A non-invasive and spatially resolved optical measurement is performed using Planar Laserinduced Fluorescence with fluorescence quenching.
The investigations are carried out on an inclined plate. A thin liquid film is overflowed by a gas (synthetic air or oxygen). The experimental parameters have been chosen in such a way that a laminar and stationary liquid film is formed. The gas transport into the liquid is made visible by a light sheet illumination, recorded by a camera and evaluated by image analysis.
In direct comparison to a completely smooth surface it can be shown that significant mass transport increase occurs along a microstructure. The decrease of local film thickness due to the presence of the structure can be associated with the increase of local mass transfer coefficients. It can also be shown that the influence of the structure is more pronounced the less the liquid is already enriched with gas, when reaching the microstructure's position.
The flow measurements are carried out by varying the liquid-side Reynolds number, the gas composition and the gas flow rate. For each measurement, the integral mass transfer coefficient is measured as a reference. This way, causal relationships are determined (e. g. mass transport intensification by increasing the gas flow rate). However, the integral measurement does not provide any information on how the individual contributions to the total mass transport are distributed within the measuring chamber. Only the measurement of local mass transfer coefficients can provide this information.
