Analyse geometrieabhängiger Verdunstungsraten in ungesättigter, konvektionsfreier Atmosphäre

Die Abtrocknungsrate von Bauteilen ist eine wesentliche Eigenschaft im industriellen Umfeld, die bis dato in Experimenten untersucht und bewertet wird. Um Entwicklungszyklen zu verkürzen, ist die Verdunstungsrate flüssiger Medien auf speziellen Geometrien unter realen Bedingungen in einem frühen Entwicklungsstadium von besonderem Interesse. Dafür werden in der Regel entweder vereinfachte Modelle, die sphärische Formen voraussetzen bzw. nur in Mikrogravitationsbereichen gültig sind, oder aufwendige 3D-Simulationen verwendet. Für industrielle Zwecke ist allerdings eine effiziente Bewertung des Verdunstungsverhaltens unerlässlich. ... mehrPhasenfeldmodelle bieten hier einen neuen Ansatz und die Möglichkeit, großskalige 3D-Simulationen bei geringem Rechenaufwand durchführen zu können. Dies wird durch die Berechnung der Phasenparameter ausschließlich in der diffusen Grenzfläche zwischen den unterschiedlichen Phasen erreicht.
Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung des Phasenübergangs von flüssig zu gasförmig aufgrund eines vorliegenden Konzentrationsgradienten als treibende Kraft in Simulation und Experiment. Für die Versuche wurde ein Versuchsstand entwickelt, der definierte und konstante Umgebungsbedingungen garantiert. Damit wurde das Verdunstungsverhalten von Tropfen auf ebenen Flächen, in Kanten und in Ecken sowie die Änderung der Verdunstungsrate mit dem Durchmesser und Füllstand von runden und quadratischen Kapillaren ermittelt. Des Weiteren werden Ergebnisse aus den Experimenten für die Kalibrierung und Validierung der in dieser Arbeit entwickelten Phasenfeldmodelle verwendet. Diese Modelle können für eine effiziente Bewertung des Phasenübergangs von flüssig zu gasförmig aufgrund eines vorliegenden Konzentrationsgradienten herangezogen werden. Neben dem Konzentrationsgradienten wird die Größe der flüssig/gasförmig Grenzfläche berücksichtigt. Zusätzlich wird der Diffusionsweg von der Grenzfläche bis zur Umgebungskonzentration in beengten Räumen wie Spalten oder Löchern berechnet. Mit diesen Phasenfeldmodellen werden auch nicht-sphärische und unregelmäßige Formen, wie sie zum Beispiel durch den Einfluss von Gravitation entstehen, simuliert und bewertet.

The drying rate of components is an essential property in the industrial environment. So far it is being investigated and evaluated in experiments. In order to shorten development cycles, it is of particular interest to know the evaporation rate of liquid media under real conditions and from special geometries at an early stage of development. Generally, either simplified models or elaborate 3D simulations are used. Nevertheless, simplified models require spherical shapes or are valid only under micro gravity conditions. However, an efficient evaluation of the evaporation behavior is essential for industrial purposes. ... mehrPhase–field models offer a new approach and the possibility to perform large–scale 3D simulations with low computational effort. This is achieved by the calculation of the phase parameters exclusively in the diffuse interface between the different phases. The main focus of this work is the investigation of the phase transition from liquid to gaseous due to a given concentration gradient as a driving force in simulation and experiment. For the experiments a test stand was developed which guarantees defined and constant ambient conditions. Using this test stand the evaporation behavior of drops on flat surfaces, in edges and corners was determined. Furthermore, the change in the evaporation rate with the diameter and filling level of round and square capillaries was investigated. Results from the experiments were used for the calibration and validation of the phase–field models developed in this thesis. These can be used for an efficient evaluation of the phase transition from liquid to gaseous due to a given concentration gradient. Besides the concentration gradient, these models take into account the size of the liquid/gaseous interface. In narrow spaces such as gaps or holes the diffusion path from the interface to the ambient concentration is calculated and considered, additionally. These phase–field models are also be used to simulate non–spherical and irregular shapes, for example, caused by the influence of gravity.