Blasenaufstieg in Glaskapillaren in ruhendem Fluid und bei zusätzlicher Berücksichtigung laminarer Durchströmung
von Sabrina GrünendahlDie Anwesenheit der Wand hat in Kapillaren einen großen Einfluss auf den Blasenaufstieg in einer Flüssigkeit. In Abhängigkeit von den gewählten Prozessparametern wird in der vorliegenden Arbeit dieser Einfluss näher untersucht. Es werden experimentelle Untersuchungen zum Aufstieg der Blasen in verschiedenen Kapillardurchmessern, sowohl in ruhender als auch in strömender Flüssigkeit, durchgeführt. Dabei wird in jeder Messreihe das Volumen der Blase variiert. So wird die Aufstiegsgeschwindigkeit der Blasen in Abhängigkeit von ihrem Äquivalenzdurchmesser abgebildet und in die bestehende Literatur eingeordnet. Im Vergleich zum freien Aufstieg, also einem Aufstieg in unbegrenzter Flüssigkeit, wird somit der Einfluss der Wand dargestellt.
Die Erwartungen an den Kurvenverlauf, d.h. insbesondere eine Abweichung von der Kurve des freien Aufstiegs, werden durch die Messdaten bestätigt. Um weitere Effekte während des Blasenaufstiegs näher zu beleuchten, werden auch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen gemacht. Diese bilden aus zwei Bildrichtungen, neben den Blasenformen, auch die Aufstiegstrajektorien der Blasen ab, wenn die Einzelbilder in definierten Zeitabständen übereinander gelegt werden. Die Messungen mit strömender Flüssigkeit werden sowohl im Gleichstrom als auch im Gegenstrom zum Blasenaufstieg durchgeführt. So werden der Einfluss der Flüssigkeitsgeschwindigkeit sowie weitere Effekte, die durch die strömende Flüssigkeit auftreten, beleuchtet.
Weiterhin wird in dieser Arbeit ein bestehendes CFD Simulationsprogramm für den freien Aufstieg von Blasen an die vorherrschenden Bedingungen in der Kapillare mit einer begrenzenden Wand erweitert. Die Simulationen bestätigen die erfolgreiche Implementierung der kinematischen Randbedingungen und ein geeignetes Rechengebiet. Für kleine Kapillaren zeigt der Vergleich von Simulation und Experiment eine gute Übereinstimmung. Für die große Kapillare liefern die Simulationen jedoch höhere Aufstiegsgeschwindigkeiten als das Experiment.
