Analyse der mehrskaligen Transportmechanismen beim laminaren Mischen mittels laseroptischer und numerischer Methoden

Während eines Mischvorgangs finden Spezies-Transporte auf unterschiedlichen Skalen statt. Die Konvektion einzelner Spezies ist auf großen Skalen identifizierbar, wohingegen die Diffusion dieser auf molekularer Ebene vorkommt. Diese beiden unterschiedlichen Transportmechanismen werden in der vorliegenden Arbeit für einen laminaren Mischvorgang in einem zweidimensionalen und einem komplexen drei-dimensionalen Modellsystem experimentell und theoretisch untersucht. Mithilfe der 4D Laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) werden Konzentrationsfelder eines injizierten Gemisches bestehend aus zwei differenziert fluoreszierenden Farbstoffen lokal im Volumen des Rührbehälters gemessen und zeitlich aufgelöst in Form von räumlichen Darstellungen visualisiert. Ein inerter Farbstoff markiert den konvektiven Transport auf den Makroskalen. Für den molekularen Transport wird die Umsetzung einer im Rührbehälter vorgelegten Komponente mit einer zweiten Farbstoffkomponente in einer schnellen chemischen Reaktion genutzt. Die Entstehungdes Reaktions-produktes dient als Nachweis für den Transport auf der Mikroskala. Die lokalen Geschwindigkeitsfelder werden mittels Particle Image Velocimetry (PIV) bestimmt. Mittels der Gradienten der lokalen Geschwindigkeiten kann der Quellterm der lokalen Energiedissipation berechnet und visualisiert werden. Durch die lokal sehr unter-schiedlich eingetragene Energie der Rührer ändert sich die Längenskala der reaktiven Oberfläche und führt zur Änderung der lokalen Mischgüte. In Abhängigkeit der Reynoldszahl und des Injektionsortes werden diese Änderungen im Raum analysiert. Die numerischen Berechnungen für das Strömungs-, Konzentrations- und Mischgütefeld einschließlich chemischer Reaktion werden mit einer kommerziell erhältlichen CFD- Software durchgeführt. Die auftretenden Phänomene werden durch die numerischen Berechnungen gut abgebildet. Der Vergleich zwischen berechneten und gemessenen Felder zeigt, dass eine theoretische Interpretation mit einer den Mischprozess kennzeichnenden Güte unter Berücksichtigung der untersuchten Abhängigkeiten für zwei- und drei- dimensionale Felder vorgenommen werden kann.