Köllner, Thomas
[VerfasserIn]
;
Boeck, Thomas
[AkademischeR BetreuerIn];
Karcher, Christian
[Sonstige Person, Familie und Körperschaft];
Bestehorn, Michael
[Sonstige Person, Familie und Körperschaft]Technische Universität Ilmenau
Simulations of solutal Marangoni convection in two liquid layers
Hochschulschrift:
Dissertation, Technische Universität Ilmenau, 2015
Anmerkungen:
Beschreibung:
Stofftransport über die Grenzfläche zwischen nicht mischbaren Flüssigkeiten ist in der Lage Konvektion durch Dichtegradienten (Rayleigh-Konvektion) oder Gradienten in der Grenzflächenspannung (Marangoni-Konvektion) zu erzeugen. Direkte numerische Simulationen eines Zweischichtsystems wurden durchgeführt, um zwei klassische Experimente aus diesem Bereich zu reproduzieren und zu erklären. Dazu wurden die Navier-Stokes-Boussinesq- und die Transportgleichung für einen gelösten Stoff in zwei, durch eine ebene Grenzfläche gekoppelten Schichten, für all drei Raumdimensionen gelöst. Eine Pseudo-Spektral-Methode wurde zur numerischen Lösung der Gleichungen eingesetzt, wobei Fourier-Moden in beiden horizontalen Richtungen und Chebyshev-Moden in der vertikalen Richtung eingesetzt wurden. Der anfänglich nur in einer Phase gelöste Stoff diffundiert in die andere Phase, welches im Laufe des Stofftransportes Konvektion auslöst. Zwei unterschiedliche Stoffsysteme wurden simuliert, zuerst das ternäre Gemisch aus Cyclohexanol, Wasser und Butanol. Dabei ist Butanol zu Beginn nur in der oberen organischen Phase gelöst. Da Butanol die Grenzflächenspannung sowie Dichte verringert, entsteht Marangoni-Konvektion mit einer stabilisierenden Dichteschichtung. Die durchgeführten Simulationen reproduzierten erfolgreich die experimentell bekannten mehrskaligen Strömungsmuster. Eine zweistufige Hierarchie von Konvektionszellen wurde beobachtet: große, langsam wachsende Zellen, welche kleinere, stetig bewegte Zellen einschließen. Die Ursache für den Musteraufbau wurde durch zwei Mechanismen, Vergröberung und eine lokale Instabilität, erklärt. Die zeitliche Entwicklung der Muster wurde mit zwei unabhängigen Experimenten aus der Literatur verglichen. Dazu wurden Längenskalen und der optische Fluss aus Schlierenbildern abgeleitet. Neben einer guten qualitativen Übereinstimmung erschienen jedoch Simulationen verlangsamt im Vergleich mit den Experimenten. Parameterstudien zeigten, dass Konzentrationsänderungen von Butanol teilweise durch eine Reskalierung von Länge und Zeit berücksichtigt werden können. Bei dem zweiten Stoffsystem wurde die Übergangskomponente durch Isopropanol ersetzt (ähnliche Eigenschaften wie Butanol) und nun in der unteren wässrigen Phase gelöst. Hierfür konnten Simulationen die experimentell beobachteten Strukturen (Eruptionen) reproduzieren und deren Ursprung durch die Wechselwirkung von Rayleigh- und Marangoni-Konvektion erklären. Ein Vergleich mit experimentellen Ergebnissen zeigte eine gute qualitative Übereinstimmung, jedoch waren auch hier die experimentell ermittelten Geschwindigkeiten höher. Parameterstudien ergaben, dass Variationen in der Ausgangskonzentration teilweise durch eine Reskalierung der Zeit berücksichtigt werden können.