Capillary transport processes in porous materials - experiment and model
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Das Ziel der hier vorgestellten Arbeit ist die Untersuchung von kapillardominierten Transportprozessen in porösen Materialien und kleinen, zylindrischen Rohren. Von Relevanz ist dies insbesondere für die raumfahrtbezogene Anwendung von porösen Metallgeweben (häufig Dutch Twilled Weaves) in sogenannten Propellant Management Devices (PMDs) für Treibstofftanks. So gilt es, bei der Konstruktion von Raketentanks für flüssige Treibstoffe sicherzustellen, dass in einer Mikrogravitationsumgebung kein Gas in die Treibstoffleitungen gelangt. Diese Aufgabe übernehmen die PMDs häufig dadurch, das...
Das Ziel der hier vorgestellten Arbeit ist die Untersuchung von kapillardominierten Transportprozessen in porösen Materialien und kleinen, zylindrischen Rohren. Von Relevanz ist dies insbesondere für die raumfahrtbezogene Anwendung von porösen Metallgeweben (häufig Dutch Twilled Weaves) in sogenannten Propellant Management Devices (PMDs) für Treibstofftanks. So gilt es, bei der Konstruktion von Raketentanks für flüssige Treibstoffe sicherzustellen, dass in einer Mikrogravitationsumgebung kein Gas in die Treibstoffleitungen gelangt. Diese Aufgabe übernehmen die PMDs häufig dadurch, dass sie den Blasendurchbruchsdruck (bubble point) von porösen Strukturen nutzen. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einer grundlegenden Diskussion der theoretischen Modellierung kapillarer Strömungen. Zunächst wird eine Einführung in relevante Grundgleichungen, wie beispielsweise die integrale Bilanz des Impulses, gegeben. Die im nächsten Schritt vereinfachte Impulsbilanz stellt dann die Basis für die weiteren mathematischen Betrachtungen dar, die im Folgenden um sogenannte Pore Structure Parameters ergänzt werden, um die kapillaren Strömungen in porösen Materialien umfassend beschreiben zu können. Durch die Verwendung der Parameter statischer Radius (Beschreibung des Kapillardrucks), Permeabilit ät (Beschreibung des viskosen Druckverlustes in der porösen Struktur) sowie Porosität (Beschreibung des Verhältnisses von Porenvolumen zu Gesamtvolumen) lässt sich eine Impulsbilanz für poröse Materialien aufstellen. Es zeigt sich, dass die Gleichungen für poröse Materialien bzw. für zylindrische Rohre ähnlich sind und somit eine Analogie zwischen kapillaren Transportprozessen in zylindrischen Rohren und porösen Strukturen existiert. Folglich lassen sich analytische Lösungen, die ursprünglich nur für Strömungen in Rohren entwickelt wurden, auch für die Beschreibung von Transportprozessen in porösen Strukturen verwenden. Unter Anwendung des Buckingham Pi Theorems werden in einer detaillierten Dimensionsanalyse die verschiedenen Skalierungsansätze vorgestellt und diskutiert. Anhand eines mathematischen Vergleiches der verschiedenen analytischen Lösungen für einen trägheits- bzw. viskos dominierten Transport kann eruiert werden, welche Kräfte zu welchem Zeitpunkt des Transportprozesses relevant sind. Die Erkenntnis, welche Terme berücksichtigt werden müssen, ist eine wichtige Voraussetzung für eine präzise Beschreibung des Transportprozesses. Ein Vergleich des Modells mit experimentellen Daten aus der fachspezifischen Literatur konnte hierbei eine gute übereinstimmung nachweisen.
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