Interfacial area generation by disintegration of a liquid sheet

Der Zerfallsprozeß einer Flüssigkeitsmasse in Tropfen, etwa eines Sprühnebels, ist von weitreichender Relevanz in der Erzeugung neuer Phasengrenzfläche zum Zwecke der Vergrößerung von Wärme- und Stoffaustausch zwischen den beiden Medien. Die vorgeschlagene Forschungsaktivität befaßt sich mit der theoretischen Analyse des Vorganges, der zur Erzeugung neuer Phasengrenzfläche beim Zerfall von Flüssigkeitsschichten führt. - Ein Vorgang, der für eine Vielzahl von Anwendungstechniken noch nicht physikalisch geschlossen erklärt werden kann. Die Anwendung, der in diesem Zusammenhang besondere Bedeutung zukommt, ist der Zerfall des Flüssigkeitsfilms in einem, nach dem Injektorprinzip arbeitenden statischen Niederdruck-Homogenisator. Hierbei wird der Flüssigkeitsfilm durch die Ansaugung der zu dispergierenden Flüssigkeit durch einen Injektorspalt erzeugt. Der Filmzerfall ist der erste Schritt auf dem Weg zur vollständigen Emulgierung der Filmflüssigkeit in der Trägerströmung. In unterschiedlichen Anwendungsbereichen (der pharmazeutischen, kosmetischen und nahrungsmittelverarbeitenden Industrie) wird diesem Homogenisierprinzip vermehrt Interesse entgegengebracht. Die Grundlage für die Erforschung des Zerfalls von Flüssigkeitsfilmen als einem ersten Schritt einer verallgemeinerten Theorie von Zerstäubungs- und Emulgier-Prozessen wurde im Gebiet der linearen und nichtlinearen Stabilitätsanalyse gefunden. Besonders der durch Scherwirkung induzierte Typ der Instabilität, die sog. Kelvin-Helmholtz Instabilität von Flüssigkeitsfilmen wird untersucht werden. Die klassische Analyse von Flüssigkeitsfilmen in Luft soll erweitert werden auf den Zerfall von Flüssigkeitsfilmen innerhalb einer flüssigen Trägerphase vergleichbarer Dichte. Hierbei ist zu erwarten, daß das Viskositätsverhältnis der beiden Medien, sowie die Wirkung der Grenzf1ächenspannung neue bemerkenswerte Charakteristiken für den Ablauf der Zerfallsprozesse bewirken, die bei Flüssigkeitsfilmen-in-Gas Systemen nicht beobachtet werden. Der Impulsaustausch zwischen der deformierenden Schicht und der Umgebungsflüssigkeit wird unter Berücksichtigung aller nichtlinearen und viskosen Terme untersucht werden. Eine Wirbelstärke-Stromfunktions- Formulierung der Navier-Stokes Gleichungen ist hierfür (zumindest im 2D-Fall) ein geeigneter Beschreibungsansatz. Das Volume-of-Fluid Verfahren von Hirt & Nichols (1981) wird für die Behandlung des Problems der freien deformierenden Grenzfläche herangezogen. Damit soll die zeitlichen Ausformung der Phasengrenzfläche beschrieben und der Einfluß nicht-linearer Terme der Bewegungsgleichung auf den eintretenden Deformationstyp erhellt werden.