Kategorie: Verfahrenstechnik

Wellige Fallfilme

 

Aus diesem weiten Feld nehmen wir hier als Beispiel eine Simulation mit OpenFOAM. Das Bild zeigt einen Wasserfallfilm mit einer Reynoldszahl von 60, am Einlass harmonisch angeregt mit einer Frequenz von 20 Hz. Die Gravitationskraft zeigt von links nach rechts. Das Kontrollvolumen ist 600 Filmdicken des entsprechenden glatten Films lang (in Stromrichtung) und 4 Filmdicken hoch (senkrecht zum Strom). Letztere Richtung ist also um den Faktor 50 hier vergrößert dargestellt.

Die rote Farbe kennzeichnet das Wasser, die blaue die Luft. Stromabwärts wiederholt sich ein Muster aus jeweils einer großen Solitärwelle und vielen kleinen, vorgelagerten Kapillarwellen.

Fallfilme

 

In der Verfahrenstechnik bezeichnet ein Fallfilm einen dünnen Flüssigkeitsfilm, der unter der Wirkung der Gravitation auf einer schiefen Wand herabfließt. Fallfilme werden vielfach verwendet wie zum Beispiel in der Lebensmittelindustrie, in der pharmazeutischen Industrie und in Kraftwerken. Sie haben den Vorteil eines sehr guten Wärmeübergangs und eines geringen Flüssigkeitsinhalts (hold up). Auch begünstigt ihre große Oberfläche den Austausch zwischen Flüssigkeit und Gas, so zum Beispiel in der Gaswäsche.

Fließt der Fallfilm eine senkrechte Wand hinab, so ist er immer hydrodynamisch instabil. Jedoch kann die Reynoldszahl so klein sein, dass man die Wellen nicht sieht.

Im Rahmen eines EU-Projektes befasste ich mich mit der Simulation von verdampfenden Salzwasser-Fallfilmen. Zur Verbesserung des Wärmetransportes wurden Stolperdrähte (turbulence wires) verwendet.

 

Numerische Experimente in der Fluiddynamik

In der Computational Fluid Dynamics (CFD) werden die Gleichungen auf einem Gitter gelöst, das feinmaschig genug sein sollte, damit nicht Wesentliches zwischen den Gitterpunkten außer Acht gelassen wird. Neben dem wirklichen Experiment und der reinen Theorie hat sich die CFD als dritte Säule der Fluiddynamik etabliert. Sie bietet den Vorteil gegenüber dem Experiment, dass viel mehr Messpunkte Daten liefern. Die reine Theorie hat den Nachteil, dass sie nur Lösungen bietet für sehr wenige einfache Fälle. Es sollte nicht verschwiegen werden, dass längst nicht alle Situationen von Interesse genau simuliert werden können. Zum Beispiel bei turbulenten Strömungen ist man in den meisten Fällen auf vereinfachende Modelle angewiesen.

Spötter meinen ja, CFD stünde für Colors For Dollars, weil die Visualisierungen sehr bunt sind und die Software meist teuer ist. Sollen sie nur spotten! 😊