Kombinierte volumetrische PIV-LIF Untersuchungen zur Korrelation von Schwarmturbulenz und Durchmischung im mitbewegten Teilvolumen eines stabilen/instabilen Blasenschwarms
Dynamische Interaktionsprozesse und Clusterformationen von Blasen in Schwärmen haben einen bedeutenden Einfluss auf die Durchmischung und die Stoffumsätze in reaktiven Blasensäulen. Diese dynamischen Prozesse sind unter anderem auf hydrodynamische Instabilitäten auf der lokalen Skala der Blasengröße zurückzuführen (Nachlaufinstabilität, Nachlaufwechselwirkung, Formänderung und Wechsel der Lift-Forces). Bei Blasensäulen, in denen die blaseninduzierte Turbulenz dominiert, sind diese Prozesse der treibende Motor für die Durchmischung. Entsprechende Korrelationen der damit verbundenen Auswirkungen auf die Durchmischung und den Stoffaustausch existieren bisher nicht. Zur Untersuchung dieser Prozesse wird eine große, um die senkrechte Achse drehbare Blasensäule (DN 500, Höhe 5m) mit lokaler, teilkontinuierlicher Begasung eingesetzt (Stoffsystem CO2/Wasser), an der die lokalen Prozesse im mitbewegten Beobachtungssystem während der fortlaufenden Interaktionen in einem Teilvolumen (Cluster von N10-50 Blasen) verfolgt werden können. Das Ziel der Untersuchungen ist es, innherhalb des Teilvolumens das räumliche Strömungsfeld gleichzeitig mit dem räumlichen Konzentrationsfeld mit zeitauflösender, bildgebender 3D-PIV/LIF Messtechnik zu erfassen und zu verfolgen und deren Korrelation in Abhängigkeit der Blasenverteilung und Bewegung zu analysieren. Die Versuchstechnik wird in der ersten Antragsperiode unter anderem auch so eingestellt, dass vergleichbare Randbedingungen wie in hochauflösenden DNS/LES Strömungssimulationen an Blasenclustern (N<50) in einer sogenannten periodischen Box vorliegen. Damit ist ein direkter quantitativer Vergleich mit verschiedenen Arbeitsgruppen im SPP möglich, wo diese Messungen als Referenzexperiment dienen sollen. Auf Basis der gewonnenen Ergebnisse soll ein geeignetes Stofftransportmodell abgeleitet werden, welches diese Dynamik lokal berücksichtigt. Die Versuche an den Blasenschwärmen werden auch unter dem Einfluss einer rotierenden Hintergrundbewegung um die senkrechte Achse durchgeführt, um die Auswirkung umlaufender helikaler Instabilitäten auf den Schwarm gezielt untersuchen zu können. In der zweiten Förderperiode werden die Methoden in einer Blasensäule im verkleinerten Maßstab eingesetzt, in der die Wechselwirkung mit der Reaktion im System untersucht werden soll (Stoffsystem: CO2/Natronlauge).
TU Bergakademie Freiberg
Institute of Mechanics and Fluid Dynamics
Projektleiter
Prof. Dr.-Ing. Christoph Brücker
Combined volumetric PIV-LIF measurements of the correlation between bubble cluster dyxnamics and mixing in a co-moving frame of a stable/unstable bubble plume
Dynamic interaction of bubbles and cluster formation in swarms have a significant influence on the mixing in reactive bubble columns. These are due to hydrodynamic instabilities on the local scale of the bubble size (wake instabilities , bubble-bubble interaction , change in shape and change of lift forces). In bubble columns where bubble- induced turbulence is dominant these processes are the driving force for mixing. Corresponding correlations of the associated impact on the mass transfer do not exist yet. To investigate these processes a large rotating bubble column (DN 500 , Height 5m) is used with a pulsed gas sparger, where the local dynamics in such a cluster are observed in the co-moving frame during the rise of the plume (cluster of N 10-50 bubbles). The aim of this study is to detect the volumetric flow and concentration field simultaneous within the same sub-volume with temporal tracking of the cluster via combined 3D-PIV/LIF measurement technique. The experimental technique is also adapted to provide boundary conditions as used in high-resolution DNS / LES simulations of flow bubble clusters ( N < 50 ) in a so-called periodic box. Thus a direct quantitative comparison is possible with various working groups in the SPP. Based on the results a suitable transport model is to be derived , which takes into account the local cluster dynamics. The experiments on the bubble swarms are carried out also under the influence of a rotating background motion around the vertical axis in order to investigate the effect of helical instabilities in the swarm.
TU Bergakademie Freiberg
Institute of Mechanics and Fluid Dynamics