Methode der laser-induzierten Lumineszenz zur experimentellen Analyse des Stofftransportes in laminar-welligen Flüssigkeitsfilmen

Der gesteigerte Stoff- und Wärmetransport in welligen Flüssigkeitsfilmen ist im Detail ungeklärt. Zur experimentellen Untersuchung des Transportes in Einzelwellen ist die laser-induzierte Lumineszenzmethode weiterentwickelt worden. Diese Methode erlaubt die nicht-invasive, trägheitsfreie und simultane Messung der lokalen Filmdicke und der Verteilung einer skalaren Feldgröße in zeitlich und örtlich hoher Auflösung. Die Untersuchungen erfolgten an zwangsangeregten, laminar-welligen Flüssigkeitsfilmen aus Wasser, die eine geneigte Ebene hinabströmten. Der Stofftransport wurde anhand der flüssigkeitsseitig kontrollierten Absorption von molekularem Sauerstoff aus der Gasphase in den Flüssigkeitsfilm betrachtet. An von unten beheizten Flüssigkeitsfilmen fanden die Untersuchungen zum Wärmetransport statt. Die resultierenden Transportkoeffizienten weisen Maxima zwischen der Wellenfront und den Kapillarwellen, Minima unterhalb der Wellenberge und erhöhte Werte im Kapillarwellenbereich auf. Aus gemessenen Konzentrationsverteilungen sind Felder effektiver Diffusionskoeffizienten ermittelt worden. Am Ende des hydrodynamischen Übergangsbereiches zeigen diese jeweils Maxima unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche. Der effektive Diffusionskoeffizient an der Phasengrenze ist im hydrodynamisch ausgebildeten Bereich größer als der molekulare Diffusionskoeffizient und nimmt mit wachsender Reynolds-Zahl zu. Im Rahmen einer ersten Iteration im strukturierten Arbeitsprozess der modellgestützten experimentellen Analyse wird ein Modell zur Beschreibung der Felder effektiver Diffusionskoeffizienten vorgeschlagen. Die Auslegung von Fallfilmapparaten kann durch die Implementierung eines solchen Modells effizient und genauer als mit integralen Auslegungsbeziehungen erfolgen.