Experimentelle Untersuchung reibungsbehafteter Strömungen in einer teilgefüllten rotierenden Trommel

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Technische Apparate, in denen hochviskose Stoffe unter Teilfüllung kontrolliert verarbeitet werden sollen, besitzen in der Regel rotierende und fest stehende Bauteile. Im Zusammenspiel zwischen Rotor und Stator sind betriebsbedingt unterschiedliche Strömungszustände möglich. In diesem Forschungsvorhaben sollen grundlegende Erkenntnisse über rotierende Strömungen mit a priori unbekannten freien Oberflächen und die Bedingungen erarbeitet werden, unter denen verschiedene Zustände existieren. Wir verwenden eine rotierende Trommel mit horizontaler Achse, die teilweise mit einer zähen, schweren Flüssigkeit, teilweise mit einem leichten, niederviskosen Gas gefüllt ist, und eine abschabende, fest stehende Platte als inneres Werkzeug. Eigene Vorarbeiten haben ergeben, dass unter Wirkung der hydrodynamischen Kräfte (Reibung, Schwere, Trägheit, Kapillarität) unterschiedliche Phänomene auftreten, die es zu charakterisieren, zu visualisieren und in einem mehrdimensionalen Parameterraum zu ordnen gilt, um sie dann gezielt einstellen und beeinflussen zu können. Besondere Beachtung finden dabei bedingt stabile Strömungszustände mit unterschiedlichen Merkmalen der Phasengrenzfläche und die Szenarien beim zyklischen Übergang zwischen diesen Zuständen. Zur quantitativen Visualisierung der Vakuole und der Strömung in der hochviskosen Phase kommen Lichtschnittverfahren und die Particle Image Velocimetry zum Einsatz. Die experimentellen Untersuchungen werden durch theoretische Betrachtungen gewisser Grenzfälle begleitet, für die vereinfachende Modellbildungen und rechnergestützte Simulationen des nichtlinearen freien Randwertproblems möglich sind.