Wechselwirkung von Stofftransportmechanismen an ruhenden und bewegten Tropfen

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In dieser Arbeit wird, die Wechselwirkung der Grenzflächenkonvektion mit anderen Transportmechanismen
am Einzeltropfen untersucht. Dabei gliedert sich die Arbeit in die zwei Schwerpunkte
ruhender und bewegter Einzeltropfen.
Die Untersuchungen finden an den beiden flüssig/flüssig Systemen Wasser – flüssiges CO2 und Wasser
- Aceton – Toluol statt. Insbesondere wird auch der Einfluss des Drucks und die Anwesenheit eines Tensids auf den Stofftransport berücksichtigt.

Der ruhende Einzeltropfen

Die Untersuchungen am ruhenden Einzeltropfen ergaben, dass für beide Systeme Grenzflächenkonvektion
auftritt. Im System Wasser – Aceton – Toluol war dies jedoch nur für die Transportrichtung aus dem Tropfen in die Umgebungsphase hinein zu beobachten und mit Schlierenaufnahmen zu zeigen.
F¨ur das System Wasser – CO2 wurde mit Hilfe von Tracer-Partikeln eine Hadamard-Rybziński ähnliche Strömung im Tropfen nachgewiesen.
Die Modellierung des Stofftransports bei Anwesenheit von Grenzflächenkonvektion hat gezeigt, dass die gemessenen Kinetiken gut durch die lineare Superposition von interner Zirkulation und einem
neuen, einfachen Modell für Marangonikonvektion darstellbar sind. Bei integraler Betrachtung sind
die gemessenen Verläufe ebenfalls gut durch ein Modell ähnlich dem Oberflächenerneuerungsmodell
wiederzugeben.
Im System Wasser – CO2 führt eine Druckerhöhung zu einer Beschleunigung des Stofftransports,
was im System Wasser – Aceton – Toluol jedoch keinen Einfluss auf den Stofftransport hat. Eine
Tensidzugabe führt im System Wasser – CO2 zu einer Beschleunigung und im System Wasser – Aceton – Toluol zu einer Hemmung des Stofftransports.
Als Kriterium, ob Grenzflächenkonvektion auftritt, wurde ein dynamischer Grenzflächenexzess definiert, der aus der simultanen Messung der transienten Grenzflächenspannung und der Konzentration bestimmt werden kann. Dieses Kriterium führt jedoch nur für das ternäre System zu guten
Ergebnissen.
Des Weiteren wurde aus der simultanen Messung der transienten Grenzflächenspannung und Dichtedifferenz
versucht aufzuklären, welche Dichtedifferenz den wahren Gegebenheiten eines sich zeitlich
ändernden Dichteprofils über die Phasengrenze am nächsten kommt. Hier hat sich gezeigt, dass dies
bei einer transienten Dichtedifferenz der Fall ist.

Der fallende Tropfen

In einem ersten Schritt wurde die Hydrodynamik des fallenden Einzeltropfens ohne Stofftransport
untersucht. Hier wurde gezeigt, was zu der Erkenntnis führt, dass diese gut mit den bestehenden Modellen auch unter erhöhten Drücken und unter Anwesenheit eines Tensids beschreibbar ist.
In einem zweiten Schritt wurde dann der Stofftransport am fallenden Tropfen untersucht. Nach der
Berücksichtigung von Tropfenbildungsphase und -koaleszenz ist festzustellen, dass die Ergebnisse
des ruhenden Tropfens gut auf den fallenden übertragbar sind.
So zeigen sich die gleichen Abhängigkeiten des Stofftransports bezüglich einer Druckerhöhung und
einer Tensidzugabe.
In einem Genauigkeitsintervall von 30 % lässt sich der Stofftransport während der Fallphase bei Abwesenheit von Grenzflächenkonvektion gut mit einem Oszillationsmodell beschreiben. Beim Auftreten von Marangonikonvektion eignet sich am besten das integrale Modell, welches auch beim ruhenden Einzeltropfen verwendet wurde.
Eine Transportrichtungsabhängigkeit bezüglich der Intensität und der auftretenden Mechanismen konnte im System Wasser – Aceton – Toluol für den fallenden Tropfen nicht festgestellt werden.