Berechnung und Analyse der Vermischung von Flüssigkeiten im Makro- und Mikromassstab bei laminarer Strömung

Die Vermischung viskoser flüssiger Medien unter laminaren Strömungsbedingungen spielt in vielen Bereichen der Kunststofftechnologie, der Pharmazie, der Lebensmitteltechnik etc. eine bedeutende verfahrenstechnische und wirtschaftliche Rolle. Den vielfältigen Anwendungen stehen jedoch bisher nur wenig bekannte und selten angewandte Auslegungsmethoden beim Design der entsprechenden Mischprozesse gegenüber.Eine theoretische Beschreibung dieser Mischvorgänge erfolgt auf Basis der strömungsmechanischen Grundgleichungen, wobei die numerische Lösung von Kontinuitäts-, Impuls-, Stoff- und Energiebilanzen unter anderem in Abhängigkeit der Qualität des Rechengitters teilweise Ergebnisse begrenzter Genauigkeit liefert. Insbesondere die spezifischen Vorgänge bei der Vermischung von Medien mit unterschiedlichem Viskositätsverhalten und verschiedenen Mengenanteilen lassen sich dadurch nur unzureichend erfassen. Besser geeignete Modeliierungsansätze beschreiben diese Mischprozesse auf Basis der kinematischen Grundvorgänge in laminaren Strömungen, welche im Detail die Deformation von Fluidelementen durch Streckung, Scherung und Faltung und damit die Vergrößerung der Grenzfläche zwischen Fluidbereichen unterschiedlicher stofflicher Zusammensetzung berücksichtigen. Angewandt werden darüber hinaus Methoden der Dynamik nichtlinearer Systeme (z. B. Poincare-Abbildungen) oder die Verfolgung masseloser Tracerpartikel zur Identifikation von Strömungsbereichen guter und schlechter Vermischung sowie zur quantitativen Beschreibung der Effektivität von Mischapparaten durch statistische Verfahren.Eine kritische Bewertung der Berechnungsmethoden zeigt deren jeweiligen Vor- und Nachteile. Bekannte und neue Methoden zur Beschreibung der Vermischung viskoser Medien im makroskopischen und molekularen Maßstab werden auf technisch relevante Mischprozesse angewandt. Die numerisch bestimmten Ergebnisse werden dabei mit experimentellen Resultaten verglichen. Dabei werden Mischprozesse in Rührkesseln, bei Gegenstrominjektionsmischern und bei statischen Mischern betrachtet.Zusammenfassend gilt, dass aufgrund der spezifischen Aussagekraft der einzelnen Berechnungsverfahren eine vollständige Charakterisierung laminarer Mischvorgänge nur durch die Kombination verschiedener Rechenansätze möglich ist. Weiterhin wird die Applikation dieser Verfahren und Rechenmodelle in Verbindung mit der numerischen Strömungsmechanik vorgestellt. Die Untersuchungsmethoden führen zu einem vertieften Verständnis der Mischvorgänge in laminaren Strömungen und erlauben die Entwicklung verbesserter Mischergeometrien unter Berücksichtigung der spezifischen, relevanten Prozessparameter.