Dissertation/Thesis Abstract

Influence of Side Walls and Undulated Topography on Viscous Gravity-Driven Film Flow
by Pollak, Thilo, Dr.Eng., Universitaet Bayreuth (Germany), 2012, 87; 10692322
Abstract (Summary)

Während sich eine schwerkraftsgetriebene viskose Strömung, die eine unendlich ausgedehnte und glatte Ebene hinabfließt, durch eine einfache analytische Lösung beschreiben lässt, sind die Strömungsprobleme in der Natur, wie zum Beispiel eine Gletscherbewegung oder ein Flüssigkeitsfilm auf dem menschlichen Auge, weitaus komplizierter. Auch um zahlreiche technische Anwendungen, wie beispielsweise Beschichtungs- oder Wärmetauschprozesse, optimieren zu können, müssen Einflussfaktoren, wie das Vorhandensein einer Struktur auf der Oberfläche des Bodens oder eine endliche Breite des Systems und deren Einflüsse auf das Strömungsfeld und die physikalische Stabilität der Strömung isoliert untersucht und verstanden werden. Durch das Vorhandensein eines gewellten Untergrundes, der zum Beispiel ein Modell für Rauheit sein könnte, entstehen neue Effekte in der Strömung, die bei einem glatten Untergrund nicht beobachtet werden können. Sowohl aus rein kinematischen Gründen, aber auch durch trägheitsinduzierte Effekte kann die Strömung auf der Windschattenseite der Bodenstruktur vom Boden ablösen, so dass in den Bodenmulden Rezirkulationsgebiete entstehen. In biologischen Systemen stellen diese Regionen Totwassergebiete dar, die nicht mit Nährstoffen versorgt werden, in Wärmetauscheranwendungen hat ihr Auftreten einen starken Einfluss auf den konvektiven Wärmetransport. Neben dem Entstehen einer Strömungsablösung kann durch Auftreten von Resonanz zwischen dem gewellten Boden und der Flüssigkeit die Amplitude der freien Flüssigkeitsoberfläche immens verstärkt werden. In dieser Arbeit wird das komplizierte Zusammenspiel aus Resonanz und dem Entstehen von Rezirkulationsgebieten in den Bodenmulden sowohl numerisch als auch experimentell untersucht und es wird gezeigt, dass man durch geschickte Ausnutzung der Resonanz das Auftreten der Wirbelstrukturen auch bei relativ hohen Reynoldszahlen gezielt unterbinden kann. Ein weiterer Teil dieser Dissertation befasst sich mit der Frage, wie sich das Vorhandensein von Seitenwänden und der Kontaktwinkel der Flüssigkeit dort auf die Form der freien Oberfläche, das Geschwindigkeitsfeld und den globalen Volumenstrom auswirkt. Während eine zusätzliche Haftbedingung an der Wand zu zusätzlicher Reibung und damit zu einem geringeren Volumenstrom führt, kann in Abhängigkeit von Kontaktwinkel und Filmdicke durch kapillare Anhebung ein Geschwindigkeitsüberschuss in der Nähe der Seitenwand entstehen, der dem Einfluss der Haftbedingung entgegenwirkt. Eine umfangreiche theoretische Parameterstudie, die durch experimentelle Ergebnisse ergänzt wird, liefert Kriterien für das erste Auftreten eines Geschwindigkeitsüberschusses und beantwortet die Frage, wann sich die entgegenwirkenden Einflüsse auf den globalen Volumenstrom gerade gegenseitig aufheben. %der Einfluss der Haftbedingung und der Einfluss des Geschwindigkeitsüberschusses auf den Volumenstrom gerade ausgleichen. Die experimentelle Untersuchung der Form der freien Oberfläche einer Drainageströmung zeigt, dass sich diese Strömung auch durch Einführung eines dynamischen Kontaktwinkels nicht durch eine Folge quasistatischer Zustände beschreiben lässt, obwohl sie sich zeitlich nur sehr langsam verändert. Zusätzliche zeitabhängige numerische Simulationen der Drainageströmung offenbaren eine Vertiefung der freien Oberfläche in der Nähe der Seitenwand, die in technischen Dünnfilmanwendungen einen Abriss des Flüssigkeitsfilms hervorrufen könnte. Darüber hinaus spielen Seitenwandeffekte auch eine entscheidende Rolle für die physikalische Stabilität der Strömung. Auf der freien Oberfläche einer schwerkraftsgetriebenen Filmströmung bilden sich Wellen aus, die anwachsen, während sie die Ebene hinabfließen, sobald ein kritischer Volumenstrom überschritten wird. Es wird durch experimentelle Variation des Kontaktwinkels, der Filmdicke und des Seitenwand\-abstandes gezeigt, dass verschiedene Effekte, die durch das Vorhandensein von Seitenwänden auftreten, %einer zusätzlichen Haftbedingung, einer gekrümmten Oberfläche durch kapillare Anhebung und das Auftreten einen Geschwindigkeits Überschusses miteinander konkurrierende Einflüsse auf die Stabilität der Strömung haben. So hat die kapillare Anhebung eine Vorkrümmung der freien Oberfläche zur Folge, welche zusammen mit der zusätzlichen Haftbedingung an der Wand zu einer Stabilisierung der Strömung führt. Das Auftreten eines Geschwindigkeitsüberschusses in der kapillaren Anhebung führt hingegen zu einer Destabilisierung der Strömung. Bei der hier untersuchten Strömung überwiegen die langreichweitigen stabilisierenden Einflüsse den vergleichsweise kurzreichweitigen destabilisierenden Einfluss der Seitenwand, so dass dieses System insgesamt gegenüber einer quer zur Hauptströmungsrichtung unendlich ausgedehnten Strömung durch die Seitenwände stabilisiert wird. Die Ergebnisse legen jedoch nahe, dass für ähnliche Strömungskonfigurationen, die eine noch geringere Filmdicke aufweisen, der Nettoeinfluss der Seitenwand auf die Strömung auch destabilisierend sein könnte. Während sich bei Filmströmungen typischerweise zuerst lange Wellen auf der freien Oberfläche ausbilden, finden wir für diese Strömung, dass sich durch eine Verringerung des Seitenwandabstandes ein Übergang von einer Langwelleninstabilität zu einer Kurzwelleninstabilität, wie man sie typischerweise von Grenzschichtströmungen kennt, vollzieht.

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Advisor:
Commitee:
School: Universitaet Bayreuth (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/1(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Applied physics, Fluid mechanics
Keywords: Viscous films, Fluid flow
Publication Number: 10692322
ISBN: 9781392737163
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