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Computational Analysis of Fluid Interfaces Influenced by Soluble Surfactant

Pesci, Chiara (2019):
Computational Analysis of Fluid Interfaces Influenced by Soluble Surfactant.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/9303],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

This work presents novel insights about the influence of soluble surfactants on rising bubbles obtained by direct numerical simulation (DNS). Surfactants are amphiphilic compounds which accumulate at fluid interfaces and significantly modify the respective interfacial properties, influencing also the overall dynamics of the flow. Since these interfaces are moving, continuously deforming and expanding, the local time-dependent interfacial coverage is the most relevant quantity. With the aid of DNS, local quantities, like the surfactant distribution on the bubble surface, can be accessed for a better understanding of the physical phenomena occurring close to the interface. However, the description and the simulation of such processes poses severe challenges. The core part of the physical model consists of the description of the surfactant transport in the bulk and on the deformable interface. The solution procedure is based on an arbitrary Lagrangian–Eulerian (ALE) interface-tracking method. The existing framework was enhanced to describe a wider range of physical phenomena. After a thorough validation of the latest numerical developments, the DNS of single rising bubbles in contaminated solutions is compared to experimental results. The full velocity transients of the rising bubbles, especially the contaminated ones, are correctly reproduced by the DNS. The simulation results are then studied to gain a better understanding of the local bubble dynamics under the effect of soluble surfactant. As an outlook, the mathematical and numerical models have been further extended to describe the influence of surfactant on the mass transfer from the bubble to the liquid phase. Two different models are studied; the first where the species and the surfactant transport are solved independently, and the second one where the hindrance effect of surfactant on mass transfer is taken into account. Preliminary simulation results are presented and discussed.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2019
Creators: Pesci, Chiara
Title: Computational Analysis of Fluid Interfaces Influenced by Soluble Surfactant
Language: English
Abstract:

This work presents novel insights about the influence of soluble surfactants on rising bubbles obtained by direct numerical simulation (DNS). Surfactants are amphiphilic compounds which accumulate at fluid interfaces and significantly modify the respective interfacial properties, influencing also the overall dynamics of the flow. Since these interfaces are moving, continuously deforming and expanding, the local time-dependent interfacial coverage is the most relevant quantity. With the aid of DNS, local quantities, like the surfactant distribution on the bubble surface, can be accessed for a better understanding of the physical phenomena occurring close to the interface. However, the description and the simulation of such processes poses severe challenges. The core part of the physical model consists of the description of the surfactant transport in the bulk and on the deformable interface. The solution procedure is based on an arbitrary Lagrangian–Eulerian (ALE) interface-tracking method. The existing framework was enhanced to describe a wider range of physical phenomena. After a thorough validation of the latest numerical developments, the DNS of single rising bubbles in contaminated solutions is compared to experimental results. The full velocity transients of the rising bubbles, especially the contaminated ones, are correctly reproduced by the DNS. The simulation results are then studied to gain a better understanding of the local bubble dynamics under the effect of soluble surfactant. As an outlook, the mathematical and numerical models have been further extended to describe the influence of surfactant on the mass transfer from the bubble to the liquid phase. Two different models are studied; the first where the species and the surfactant transport are solved independently, and the second one where the hindrance effect of surfactant on mass transfer is taken into account. Preliminary simulation results are presented and discussed.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Dynamics (fdy)
Date Deposited: 24 Nov 2019 20:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/9303
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-93032
Referees: Bothe, Prof. Dr. Dieter and Oberlack, Prof. Dr. Martin
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 9 July 2019
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Diese Arbeit präsentiert neue Erkenntnisse über den Einfluss von löslichen Tensiden auf aufsteigende Einzelblasen, die durch direkte numerische Simulation (DNS) erhalten wurden. Tenside sind amphiphile Substanzen, die sich an Fluidgrenzflächen ansammeln und die Grenzflächeneigenschaften signifikant verändern, wodurch auch die Gesamtdynamik der Strömung beeinflusst wird. Da sich diese Fluidgrenzflächen bewegen, sich kontinuierlich verformen und ausdehnen, ist die lokale zeitabhängige Grenzflächenbelegung die relevanteste Größe. Mit Hilfe von DNS können lokale Größen wie die Tensidverteilung auf der Blasenoberfläche zum besseren Verständnis der physikalischen Phänomene in der Nähe der Grenzfläche berechnet werden. Dennoch stellt die Beschreibung und Simulation solcher Prozesse eine große Herausforderung dar. Der Kern des physikalischen Modells besteht aus der Beschreibung des Tensidtransports im Bulk und auf der verformbaren Grenzfläche. Das Lösungsverfahren basiert auf einer Arbitrary Lagrange-Eulerian (ALE)-Interface-Tracking Methode. Die bestehende Methodik wurde erweitert, um ein breiteres Spektrum an physikalischen Phänomenen zu beschreiben. Nach einer gründlichen Validierung der neuesten numerischen Entwicklungen wird die DNS von aufsteigenden Einzelblasen in kontaminierten Lösungen mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Die zeitabhängigen Geschwindigkeiten der aufsteigenden Blasen, insbesondere die der kontaminierten, werden durch die DNS korrekt wiedergegeben. Die Simulationsergebnisse werden dann im Detail analysiert, um ein besseres Verständnis der lokalen Blasendynamik unter der Wirkung von löslichem Tensid zu erhalten. Im Sinne eines Ausblicks wurden die mathematischen und numerischen Modelle weiter ausgebaut, um den Einfluss von Tensiden auf den Stoffübergang von der Blase in die Flüssigphase zu beschreiben. Zwei verschiedene Modelle werden verwendet; ein erstes, bei dem die Spezies und der Tensidtransport unabhängig voneinander gelöst werden, und ein zweites, bei dem die hinderliche Wirkung von Tensiden auf den Stoffaustausch berücksichtigt wird. Vorläufige Simulationsergebnisse werden vorgestellt und diskutiert.German
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