Analyse der mehrskaligen Transportmechanismen beim laminaren Mischen mittels laseroptischer und numerischer Methoden

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Während eines Mischvorgangs finden Spezies-Transporte auf unterschiedlichen Skalen statt. Die Konvektion einzelner Spezies ist auf großen Skalen identifizierbar, während die Diffusion auf molekularer Ebene erfolgt. Diese beiden Transportmechanismen werden in der Arbeit für einen laminaren Mischvorgang in einem zweidimensionalen und einem komplexen dreidimensionalen Modellsystem untersucht. Mithilfe der 4D Laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) werden Konzentrationsfelder eines injizierten Gemisches aus zwei fluoreszierenden Farbstoffen lokal im Volumen des Rührbehälters gemessen und zeitlich aufgelöst visualisiert. Ein inerter Farbstoff markiert den konvektiven Transport auf Makroskalen. Für den molekularen Transport wird eine schnelle chemische Reaktion zwischen den Farbstoffkomponenten genutzt, wobei das Reaktionsprodukt als Nachweis für den mikroskaligen Transport dient. Die lokalen Geschwindigkeitsfelder werden mittels Particle Image Velocimetry (PIV) bestimmt, und die Gradienten der lokalen Geschwindigkeiten ermöglichen die Berechnung und Visualisierung des Quellterms der lokalen Energiedissipation. Die unterschiedlich eingetragene Energie der Rührer beeinflusst die Längenskala der reaktiven Oberfläche und die lokale Mischgüte. Änderungen werden in Abhängigkeit von der Reynoldszahl und dem Injektionsort analysiert. Die numerischen Berechnungen für das Strömungs-, Konzentrations- und Mischgütefeld einschließlich chemischer Rea