Dynamics of falling films under the influence of a destabilizing body force

Rietz, Manuel; Scheid, Benoit; Kneer, Reinhold

doi:HT020669520

Dynamics of falling films under the influence of a destabilizing body force = Über die Dynamik von Filmströmungen unter dem Einfluss destabilisierend wirkender Volumenkräfte

Rietz, Manuel^RWTH*

2020 & 2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Manuel Rietz

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (129 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2021

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Kneer, Reinhold (Thesis advisor)^RWTH* ; Scheid, Benoit (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-10-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-12044
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/808409/files/808409.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung (412610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Fallfilme (frei) ; Strömung mit freier Oberfläche (frei) ; Strömungsinstabilitäten (frei) ; destabilisierende Volumenkraft (frei) ; destabilizing body force (frei) ; falling films (frei) ; interfacial flows (free surface) (frei) ; interfacial instability (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Eine Kaskade von primären und sekundären fluiddynamischen Instabilitäten führt zu komplexen Wellenmustern auf der Oberfläche von fallenden Flüssigkeitsfilmen. Bei Fallfilmen unter dem Einfluss einer destabilisierenden Körperkraft kann die Entwicklung der Filmoberfläche durch eine deutliche Strukturierung quer zur Strömungsrichtung gekennzeichnet sein, die je nach den spezifischen Eigenschaften der Filmströmung mit einer Ablösung der Flüssigkeit vom Substrat (Abtropfen) einhergehen kann. Das Vorhandensein einer destabilisierenden Körperkraft umfasst in diesem Rahmen alle Konfigurationen, in denen Flüssigkeit normal zu einer Begrenzungswand beschleunigt wird, wobei der Beschleunigungsvektor von der Flüssigkeit in die umgebende Atmosphäre zeigt. Diese Arbeit liefert sowohl experimentelle als auch numerische Daten zur linearen und nichtlinearen Entwicklung von Fallfilmen unter dem Einfluss einer destabilisierenden Körperkraft mit besonderem Schwerpunkt auf dem Zusammenspiel von primären und sekundären Instabilitäten und der langfristigen Strukturierung der Filmoberfläche. Zunächst wird eine Software-Implementierung von Grenzschichtmodellen für Fallfilme, welche auf ’weighted-residuals’ Methoden beruhen, vorgestellt. Die vorgestellte Implementierung ermöglicht die schnelle Berechnung dreidimensionaler Wellenmuster in Fallfilmen durch die Verwendung von Spektralmethoden und GPU beschleunigtem Rechnen. Anschließend wird eine umfassende experimentelle Studie vorgestellt, in der die Entwicklung eines Fallfilms an der Außenseite eines rotierenden Zylinders unter Variation von Volumenstrom und Rotationsfrequenz analysiert wird. Korrelationen werden sowohl für die Wellenlänge als auch für die Einlauflänge der Entwicklung einer Strukturierung quer zur Strömungsrichtung bereitgestellt. Schließlich wird für den Fall eines Films auf der Unterseite einer geneigten Wand eine numerische Analyse der Strömungsentwicklung, der Wechselwirkung von primären und sekundären Instabilitäten der Filmoberfläche und der Strukturierung vor dem Abtropfen durchgeführt. In diesem Zusammenhang werden Simulationen der langfristigen Entwicklung des Filmflusses durch die Anwendung der eingeführten Software-Implementierung relevanter Fallfilmmodelle ermöglicht.

A cascade of primary and secondary fluid dynamical instabilities leads to complex patterns of waves on the surface of falling liquid films. In falling films under the influence of a destabilizing body force, the film surface topology potentially evolves towards a distinct spanwise structuring into rivulets, which might be accompanied by fluid detachment from the substrate (dripping) depending on the specific properties of the film flow. The presence of a destabilizing body force, in this framework, encompasses all configurations in which fluid is accelerated normal to a bounding wall with the acceleration vector pointing from the fluid to the surrounding atmosphere. This thesis provides experimental as well as numerical data regarding the linear and non-linear evolution of falling films under the influence of a destabilizing body force with specific focus on the interplay of primary and secondary instabilities and long term structuring of the film surface. First, a software implementation of state of the art weighted residual boundary layer models for falling films is introduced. The presented implementation allows to rapidly compute three-dimensional wave patterns in falling films due to the use of spectral methods and GPU-accelerated computing. Subsequently, a comprehensive experimental study is presented in which the evolution of a falling film on the outside of a rotating cylinder is analyzed under variation of imposed flow rates and rotation frequency. Correlations are provided both for the wavelength as well as the inception length of developing rivulet structures. Finally, a numerical analysis of flow evolution, interaction of primary and secondary instabilities of the film surface and spanwise structuring before the dripping regime is performed for the case of a film on the underside of an inclined wall. In this context, simulations of the long term evolution of the film flow in a large domain are enabled through the application of the introduced software implementation of relevant falling film models. In the end, through the combination of experimental and numerical analysis, a comprehensive overview of the evolution of falling films under the influence of a destabilizing body force deep into the non-linear regime is provided. Adding to this, dependencies of characteristics of developing flow structures on fluid properties and further system parameters are given.

OpenAccess:
PDF
(additional files)