Konvektive Transportprozesse

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Konvektive Transportprozesse bestimmen unseren Alltag und treten in nahezu allen technischen Anwendungen auf. Vom Stoffaustausch in der Niere mit Strömungskanälen im Mikrometerbereich, über verfahrenstechnische Apparate in unterschiedlichen Maßstäben bis hin zu Luftbewegungen in unserer Atmosphäre sind konvektive Transportprozesse von Bedeutung. Bei jedem Wärme-/Stofftransport in flüssigen oder gasförmigen Medien kommt der Konvektion, d.h. dem Transport von thermischer Energie oder Stoffen durch die sich bewegende Strömung, eine entscheidende Rolle zu.

Aktuell werden am WSA drei unterschiedliche Strömungsformen (Rieselfilm, Prallstrahl, Membrankanäle) mit experimentellen und numerischen Methoden untersucht. Alle drei Strömungsformen sind in vielen energie- und verfahrenstechnischen Apparaten zu finden. Der Rieselfilm wird beispielsweise zur Verdampfung von temperatursensitiven Fluiden sowie in Ad- bzw. Desorptionsprozessen eingesetzt. Prallstrahlen werden sowohl bei der Kühlung als auch bei der Trocknung verwendet, da sich diese Strömungsform durch einen sehr hohen Wärme- bzw. Stoffübergangskoeffizienten auszeichnet. Membrankanäle ermöglichen eine effiziente Stofftrennung und werden beispielsweise in Meerwasserentsalzungsanlagen eingesetzt.

Eine Gemeinsamkeit aller Strömungsformen ist das Vorhandensein von Instabilitäten, welche zur Welligkeit des Rieselfilms oder zur Ausbildung von Wirbeln in den Strömungen führen und damit die Prozesse entscheidend beeinflussen. Eine unserer Forschungsfragen ist daher, unter welchen Voraussetzungen diese Instabilitäten auftreten und wie sich diese auf die Strömung und den konvektiven Transport auswirken. Ein detailliertes Verständnis dieser Instabilitäten ermöglicht die gezielte Optimierung von entsprechenden Prozessen.

Um ein detailliertes Verständnis von Strömungsbewegungen aufzubauen arbeiten wir mit unterschiedlichen experimentellen Messmethoden. Dazu zählen drei-dimensionalen Lichtfeld Particle Image Velocimetry (PIV) oder High-Speed Visualisierungen. Weiterhin kommen unterschiedliche Techniken zur Temperaturmessung zum Einsatz, wie z.B. Infrarot-Thermographie oder Flüssigkristallthermographie. Auf der numerischen Seite werden sowohl vollaufgelöste Simulationen durchgeführt also auch reduzierte Modelle verwendet und weiterentwickelt.

 

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