Berechnung und Analyse der Vermischung von Flüssigkeiten im Makro- und Mikromaßstab bei laminarer Strömung

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Die Vermischung viskoser flüssiger Medien unter laminaren Strömungsbedingungen ist in der Kunststofftechnologie, Pharmazie und Lebensmitteltechnik von großer Bedeutung. Trotz der vielfältigen Anwendungen existieren nur wenige bekannte und selten angewandte Auslegungsmethoden für die entsprechenden Mischprozesse. Die theoretische Beschreibung dieser Vorgänge basiert auf den strömungsmechanischen Grundgleichungen, wobei die numerische Lösung von Kontinuitäts-, Impuls-, Stoff- und Energiebilanzen oft nur begrenzte Genauigkeit liefert. Besonders die spezifischen Vorgänge bei der Vermischung von Medien mit unterschiedlichem Viskositätsverhalten sind nur unzureichend erfasst. Bessere Modellierungsansätze berücksichtigen die Deformation von Fluidelementen durch Streckung, Scherung und Faltung, was die Vergrößerung der Grenzfläche zwischen unterschiedlichen Fluidbereichen ermöglicht. Methoden der Dynamik nichtlinearer Systeme und die Verfolgung masseloser Tracerpartikel helfen, Strömungsbereiche mit guter und schlechter Vermischung zu identifizieren und die Effektivität von Mischapparaten quantitativ zu beschreiben. Eine kritische Bewertung der Berechnungsmethoden zeigt deren Vor- und Nachteile. Bekannte und neue Methoden zur Beschreibung der Vermischung werden auf technisch relevante Prozesse angewandt und mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Eine vollständige Charakterisierung laminarer Mischvorgänge erfordert die Kombination