Experimentelle Untersuchung reibungsbehafteter Strömungen in einer teilgefüllten rotierenden Trommel

Abstract

Technische Apparate, in denen hochviskose Stoffe unter Teilfüllung kontrolliert verarbeitet werden sollen, besitzen in der Regel rotierende und fest stehende Bauteile. Im Zusammenspiel zwischen Rotor und Stator sind betriebsbedingt unterschiedliche Strömungszustände möglich. In dieser Arbeit werden grundlegende Erkenntnisse über rotierende Strömungen mit a priori unbekannten freien Oberflächen erarbeitet. Zum Verständnis der Prozesse in solchen Systemen wird ein geometrisch einfaches Modell eingesetzt, das als Trommelmischer bezeichnet werden kann. Es besteht aus einer rotierenden Trommel mit einer horizontalen Achse und einer abschabenden, fest stehenden Platte als inneres Werkzeug. Dieses System wird teilweise mit einer zähen, schweren Flüssigkeit (newtonsch oder strukturviskos) und teilweise mit einem leichten, niederviskosen Gas (Luft) gefüllt. Als ein Spezialfall der Teilfüllung wird ebenfalls das mit Flüssigkeit voll gefüllte System betrachtet. Im Betriebszustand treten unter Einwirkung der hydrodynamischen Kräfte (Reibung, Schwere, Trägheit, Kapillarität unterschiedliche Strömungsphänomene auf. Diese werden charakterisiert, visualisiert und einem mehrdimensionalen Parameterraum zugeordnet, in dem sie gezielt einge-stellt und beeinflusst werden können. Besondere Beachtung finden dabei bedingt stabile Strömungszustände mit unterschiedlichen Merkmalen der Phasengrenzfläche und die Szenarien beim zyklischen Übergang zwischen diesen Zuständen. Zur Bestimmung der rheologischen Fließ-eigenschaften der Versuchflüssigkeiten werden diese an einem Rotationsviskosimeter untersucht. Bei quantitativer Visualisierung der Vakuole kommen Lichtschnittverfahren und die Röntgen-Computertomographie (CT) zum Einsatz. Aus den Messdaten für die ausgewählten Strömungs-zustände wird der zweidimensionale und dreidimensionale Verlauf der Phasengrenzfläche rekonstruiert. Zur Bestimmung der Geschwindigkeitsfeldgrößen in der hochviskosen Phase wird die Particle Image Velocimetry (PIV) angewandt. Zum Vergleich der experimentellen Daten werden rechnergestützte Strömungssimulationen mit der kommerziellen CFD-Software Ansys-CFX durchgeführt und die Ergebnisse gegenübergestellt. Im Weiteren wird der Einfluss viskoelastischer Stoffeigenschaften auf die Strömung und die Form der freien Oberfläche gezeigt.