This thesis is based on observations of the physical properties of wheat flour dough using ultrasonic measurements. Three frequency ranges were used in the study, low frequencies (near 40 kHz), intermediate frequencies (1 to 5 MHz, where bubble resonance effects are apparent), and high frequencies (near 20 MHz). Doughs mixed under different head space air pressures, from vacuum to atmospheric pressure, as well as under nitrogen, were studied at low frequency to investigate their relaxation behavior. Subsamples from ambient dough and vacuum dough displayed differences in the dependence of velocity and attenuation on time after compression, but no post mixing relaxation effect was apparent. A critical headspace pressure of approximately 0.16 atmospheres determined whether vacuum-like or ambient-like relaxation was observed. A peak in attenuation and changes in ultrasonic velocity were observed around the bubble resonance frequency, and these ultrasonic parameters changed substantially as a function of time. A bubble resonance model was used to interpret the results around the bubble resonance frequency, and bubble size distributions were estimated for ambient and vacuum dough from the ultrasonic data. For the high frequency range, a molecular relaxation model was used to interpret the results. Different fast relaxation times were observed for ambient dough (5 ns) and vacuum dough (1 ns). This relaxation time may be associated with conformational rearrangements in glutenin inside the dough matrix. These experiments have enabled dough relaxation to be probed over a very wide range of time scales (from ns to hours), and will lead to a better understanding of the role of dough matrix and gas cell effects on the physical properties of wheat flour doughs. / October 2007

This thesis is based on observations of the physical properties of wheat flour dough using ultrasonic measurements. Three frequency ranges were used in the study, low frequencies (near 40 kHz), intermediate frequencies (1 to 5 MHz, where bubble resonance effects are apparent), and high frequencies (near 20 MHz). Doughs mixed under different head space air pressures, from vacuum to atmospheric pressure, as well as under nitrogen, were studied at low frequency to investigate their relaxation behavior. Subsamples from ambient dough and vacuum dough displayed differences in the dependence of velocity and attenuation on time after compression, but no post mixing relaxation effect was apparent. A critical headspace pressure of approximately 0.16 atmospheres determined whether vacuum-like or ambient-like relaxation was observed. A peak in attenuation and changes in ultrasonic velocity were observed around the bubble resonance frequency, and these ultrasonic parameters changed substantially as a function of time. A bubble resonance model was used to interpret the results around the bubble resonance frequency, and bubble size distributions were estimated for ambient and vacuum dough from the ultrasonic data. For the high frequency range, a molecular relaxation model was used to interpret the results. Different fast relaxation times were observed for ambient dough (5 ns) and vacuum dough (1 ns). This relaxation time may be associated with conformational rearrangements in glutenin inside the dough matrix. These experiments have enabled dough relaxation to be probed over a very wide range of time scales (from ns to hours), and will lead to a better understanding of the role of dough matrix and gas cell effects on the physical properties of wheat flour doughs.

This thesis is based on observations of the physical properties of wheat flour dough using ultrasonic measurements. Three frequency ranges were used in the study, low frequencies (near 40 kHz), intermediate frequencies (1 to 5 MHz, where bubble resonance effects are apparent), and high frequencies (near 20 MHz). Doughs mixed under different head space air pressures, from vacuum to atmospheric pressure, as well as under nitrogen, were studied at low frequency to investigate their relaxation behavior. Subsamples from ambient dough and vacuum dough displayed differences in the dependence of velocity and attenuation on time after compression, but no post mixing relaxation effect was apparent. A critical headspace pressure of approximately 0.16 atmospheres determined whether vacuum-like or ambient-like relaxation was observed. A peak in attenuation and changes in ultrasonic velocity were observed around the bubble resonance frequency, and these ultrasonic parameters changed substantially as a function of time. A bubble resonance model was used to interpret the results around the bubble resonance frequency, and bubble size distributions were estimated for ambient and vacuum dough from the ultrasonic data. For the high frequency range, a molecular relaxation model was used to interpret the results. Different fast relaxation times were observed for ambient dough (5 ns) and vacuum dough (1 ns). This relaxation time may be associated with conformational rearrangements in glutenin inside the dough matrix. These experiments have enabled dough relaxation to be probed over a very wide range of time scales (from ns to hours), and will lead to a better understanding of the role of dough matrix and gas cell effects on the physical properties of wheat flour doughs.

Bread owes its appeal to its aerated structure which directly relies on the bubbles entrained into the dough during mixing. If the bubble size distribution (BSD) in the dough can be determined at the end of mixing, then the resulting loaf quality could be predicted before bread is fully manufactured. However, non-invasively monitoring the structure of a fragile opaque soft solid such as dough is challenging. This thesis addressed the challenge by determining dough’s BSD and its evolution using ultrasound and X-ray microtomography. Using a resonant scattering model and the frequency dependence of the ultrasonic parameters measured in the dough, the change in the BSD in dough (made without yeast) with time as a result of disproportionation was determined. At 30 min after mixing, the median radius (R0) of the lognormal BSD was 6.5 microns. Converting the BSD to the radius dependence of bubble volume fraction (BVF(R)), R0V (the median radius of BVF(R)) was 66.4 microns and increased 18 % in the succeeding 90 min. In order to validate the bubble sizes determined ultrasonically, X-rays from a synchrotron source were utilized to examine dough’s microstructure. Large numbers of very small bubbles were discovered and it was apparent that lognormality did not describe the BSDs. Nevertheless, lognormal characterization of the BVF(R) was appropriate. At 30 min after mixing R0V of the BVF(R) was 32.5 microns and it increased by 20 % in the succeeding 90 min, supporting the ultrasonic quantification of bubble volume changes due to disproportionation. Changes in the mode, median and mean of the BVF(R) with time after mixing had the same trend for ultrasound and for X-ray microtomography. The time evolution of the mode of the BVF(R) obtained by ultrasound and X-ray microtomography matched very well; both increasing linearly as a function of time. Ultrasonic assessments of bubble sizes and their changes with time are very encouraging, but the ultrasonic model should use distribution functions that precisely define the empirical data, perhaps not making ‘pre-assumptions’ of lognormality for the BSD data. / February 2015

Measurements of gas volume fraction, bubble velocity, chord length and bubble size distributions were performed in the research vessel Athena II operating in Saint Andrew Bay in the gulf coast near Panama City, FL. Double tipped sapphire optical local phase-detection probes were used to acquire indicator functions downstream of the breaking bow wave, behind the masker and at the stern. These indicator functions were also taken at different depths, distances from the hull, operating speeds and headings respect to the waves. The data processing includes the computation of velocity of individual bubbles and chord lengths, resulting in chord length distributions. These chord length distributions are used to obtain bubble size distributions using a novel procedure described in detail. Uncertainty analysis is performed for gas volume fraction, average bubble velocity and chord length. The results indicate that air entrainment increases with ship speed and sailing against the waves at all positions. The bow wave exhibits unsteady breaking that creates bubble clouds, which were characterized and identified by signal processing. At the stern a very strong dependence of bubble size with depth was found, with evidence that bubbles smaller than 500 micrometers are transported through the bottom of the hull and reach the transom. The roller present at the transom, the associated strong unsteadiness and bubble entrainment are well captured, as indicated by the stern results, showing the frothy nature of the upper layer.

The collisions frequency of dispersed phases (particles, droplets, bubbles) in a turbulent carrier phase is a fundamental quantity that is needed for modeling multiphase flows with applications to chemical processes, minerals flotation, food science, and many other industries. In this dissertation, numerical simulations are performed to determine collisions frequency of bi-dispersed particles (solid particles and bubbles) in homogeneous isotropic turbulence. Both direct numerical simulations (DNS) and Large Eddy simulations (LES) are conducted to determine velocity fluctuations of the carrier phase. The DNS results are used to validate existing theoretical models as well as the LES results. The dissertation also presents a CFD-based flotation model for predicting the pulp recovery rate in froth flotation machines. In the direct numerical simulations work, particles and bubbles suspended in homogeneous isotropic turbulence are tracked and their collisions frequency is determined as a function of particle Stokes number. The effects of the dispersed phases on the carrier phase are neglected. Particles and bubbles of sizes on the order of Kolmogorov length scale are treated as point masses. Equations of motion of dispersed phases are integrated simultaneously with the equations of the carrier phase using the same time stepping scheme. In addition to Stokes drag, the pressure gradient in the carrier phase and added-mass forces are also included. The collision model used here allows overlap of particles and bubbles. Collisions kernel, radial relative velocity, and radial distribution function found by DNS are compared to theoretical models over a range of particle Stokes number. In general, good agreement between DNS and recent theoretical models is obtained for radial relative velocity for both particle-particle and particle-bubble collisions. The DNS results show that around Stokes number of unity particles of the same group undergo expected preferential concentration while particles and bubbles are segregated. The segregation behavior of particles and bubbles leads to a radial distribution function that is less than one. Existing theoretical models do not account for effects of this segregation behavior of particles and bubbles on the radial distribution function. In the large-eddy simulations efforts, the dissertation addresses the importance of the subgrid fluctuations on the collisions frequency and investigates techniques for predicting those fluctuations. The cases studied are of particles-particles and particles-bubbles collisions at Reynolds number Re_λ = 96. A study is conducted first by neglecting the effects of subgrid velocity fluctuations on particles and bubbles motions. It is found that around Stokes number of unity solid particles of the same group undergo the well known preferential concentration as observed in the DNS. Effects of pressure gradient on the particles are negligible due to their small sizes. Bubbles as a low inertia particles are very sensitive to subgrid velocity and acceleration fields where the effects of pressure gradient in the carrier phase are dominant. However, particle-bubble radial distribution functions from LES are not as low as that from DNS. To account for the effects of subgrid field on the dispersion of particles and bubbles, a new multifractal methodology has been developed to construct a subgrid vorticity field from the resolved vorticity field in frame work of LES. A Poisson's solver is used to obtain the subgrid velocity field from the subgrid vorticity field. Accounting for the subgrid velocity fluctuations (but neglecting pressure gradient) produced minor changes in the radial distribution function for particle-particle and particle-bubble collisions. We conclude from this study that for accurate particle tracking in LES the subgrid velocity fluctuations must be dynamically realizable field (temporally and spatially correlated with the large scale motion). Adding random SGS velocity fluctuations is not enough to capture the correct radial distribution functions of dispersed phases especially for bubbles-particles collisions where the pressure gradient term ( or acceleration Du_f′/Dt) is responsible for particle-bubble segregation around particle Stokes number near one. A CFD-based model for minerals flotation machines has been developed in this dissertation. The objective of flotation models is to predict the recovery rate of minerals from a flotation cell. The developed model advances the state-of-the-art of pulp recovery rate prediction by incorporating validated theoretical collisions frequency models and detailed hydrodynamics from two-phase flow simulations. Spatial distributions of dissipation rate and air volume fraction are determined by the two-phase hydrodynamic simulations. Knowing these parameters throughout the machine is essential in understanding the effectiveness of different components of flotation machine (rotor, stator or disperser, jets) on the flotation efficiency. The developed model not only predicts the average pulp recovery rate but also it indicates regions of high/low recovery rates. The CFD-based flotation model presented here can be used to determine the dependence of recovery rate constant at any locality within the pulp based on particle diameter, particle specfic gravity, contact angle, and surface tension. / Ph. D.

Experimente mit neuartigen Messverfahren lieferten Daten über die Struktur von transienten Flüssig-keits-Gas-Strömungen für die Entwicklung und Validierung von mikroskopischen, d.h. geometrieunabhängigen Konstitutivbeziehungen zur Beschreibung des Impulsaustauschs zwischen Flüssig-phase und Gasblasen sowie zur Quantifizierung der Häufigkeit von Blasenkoaleszenz und -zerfall. Hierzu wurde eine vertikale Testsektion der Zweiphasentestschleife MTLoop in Rossendorf genutzt, wobei erstmals Gittersensoren mit einer Auflösung von 2-3 mm bei einer Messfrequenz von bis zu 10 kHz angewandt wurden. Dabei wurde die Evolution von Gasgehalts-, Geschwindigkeits- und Bla-sengrößenverteilungen entlang des Strömungsweges und bei schnellen Übergangsprozessen aufge-nommen und so die für die Modellbildung erforderlichen Daten bereitgestellt. Für den Test der Mo-dellbeziehungen wurde ein vereinfachtes Verfahren zur Lösung der Strömungsgleichungen entlang des Strömungswegs erstellt. Es basiert auf der Betrachtung einer größeren Anzahl von Blasengrö-ßenklassen. Die erhaltenen numerische Lösungen haben erstmals gezeigt, dass der bei Erhöhung der Gasvolumenstromdichte stattfindende Übergang von einer Blasenströmung mit Randmaximum zu einem Profil mit Zentrumsmaximum und anschließend zu einer Pfropfenströmung ausgehend von einem einheitlichen Satz physikalisch begründeter und geometrieunabhängiger Konstitutivgleichun-gen modelliert werden kann. Die Modellbeziehungen haben sich in einem abgegrenzten Gebiet der Volumenstromdichten als generalisierungsfähig erwiesen und sind für den Einbau in CFD-Modelle geeignet. Weiterhin wurden Arbeiten zur Kondensation durchgeführt, die direkten Bezug zu den Kon-densationsmodellen haben, die in Thermohydraulik-Codes enthalten sind. Die Untersuchung liefert darüber hinaus experimentelle Daten für die Modellvalidierung hinsichtlich des Verhaltens und des Einflusses nichtkondensierbarer Gase. Hierfür wurden spezielle Sonden für die Bestimmung der Konzentration und für die Lokalisierung von Pfropfen nichtkondensierbarer Gase entwickelt und bei transienten Kondensationsversuchen in einem leicht geneigten Wärmeübertragerrohr eingesetzt.

Experimente mit neuartigen Messverfahren lieferten Daten über die Struktur von transienten Flüssig-keits-Gas-Strömungen für die Entwicklung und Validierung von mikroskopischen, d.h. geometrieunabhängigen Konstitutivbeziehungen zur Beschreibung des Impulsaustauschs zwischen Flüssig-phase und Gasblasen sowie zur Quantifizierung der Häufigkeit von Blasenkoaleszenz und -zerfall. Hierzu wurde eine vertikale Testsektion der Zweiphasentestschleife MTLoop in Rossendorf genutzt, wobei erstmals Gittersensoren mit einer Auflösung von 2-3 mm bei einer Messfrequenz von bis zu 10 kHz angewandt wurden. Dabei wurde die Evolution von Gasgehalts-, Geschwindigkeits- und Bla-sengrößenverteilungen entlang des Strömungsweges und bei schnellen Übergangsprozessen aufge-nommen und so die für die Modellbildung erforderlichen Daten bereitgestellt. Für den Test der Mo-dellbeziehungen wurde ein vereinfachtes Verfahren zur Lösung der Strömungsgleichungen entlang des Strömungswegs erstellt. Es basiert auf der Betrachtung einer größeren Anzahl von Blasengrö-ßenklassen. Die erhaltenen numerische Lösungen haben erstmals gezeigt, dass der bei Erhöhung der Gasvolumenstromdichte stattfindende Übergang von einer Blasenströmung mit Randmaximum zu einem Profil mit Zentrumsmaximum und anschließend zu einer Pfropfenströmung ausgehend von einem einheitlichen Satz physikalisch begründeter und geometrieunabhängiger Konstitutivgleichun-gen modelliert werden kann. Die Modellbeziehungen haben sich in einem abgegrenzten Gebiet der Volumenstromdichten als generalisierungsfähig erwiesen und sind für den Einbau in CFD-Modelle geeignet. Weiterhin wurden Arbeiten zur Kondensation durchgeführt, die direkten Bezug zu den Kon-densationsmodellen haben, die in Thermohydraulik-Codes enthalten sind. Die Untersuchung liefert darüber hinaus experimentelle Daten für die Modellvalidierung hinsichtlich des Verhaltens und des Einflusses nichtkondensierbarer Gase. Hierfür wurden spezielle Sonden für die Bestimmung der Konzentration und für die Lokalisierung von Pfropfen nichtkondensierbarer Gase entwickelt und bei transienten Kondensationsversuchen in einem leicht geneigten Wärmeübertragerrohr eingesetzt.

Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen der im Kühlmittel von Leichtwasserreaktoren zur Reaktivitätssteuerung eingesetzten Borverbindungen auf Siedeprozesse – und damit indirekt auf die Wärmeabfuhr der Brennelemente – zu untersuchen. Bei den Siedeversuchen, die Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind, wurde besonders auf eine realitätsnahe Annäherung an die Reaktorparameter Wert gelegt. Als Unterstützung zur Interpretation der Ergebnisse dienten eigene Messungen von signifikanten physikalischen Stoffdaten an wässrigen Borsäure- und Pentaboratlösungen. Die Siedeprozesse wurden in einer eigens für diese Analysen konzipierten und errichteten Versuchsanlage SECA unter Verwendung eines Leitfähigkeitsgittersensors sowie einer Hochgeschwindigkeitskamera bei Drücken von maximal 40 bar und Temperaturen bis zu 250 °C untersucht. Entsprechend der in den Untersuchungen gewonnenen Erkenntnis wird für reale Reaktoren fol-gendes angenommen: Die Anwesenheit von Borsäure hat keinen Einfluss auf großvolumige Sie-devorgänge im betrachteten Störfallszenario eines Druckwasserreaktors, und die Auswirkungen auf das unterkühlte Sieden sind vernachlässigbar gering. Es ist nicht zu erwarten, dass der Wärmeübergang von den Brennelementen an das Kühlmittel beeinflusst wird. Bei einer Einspeisung von Pentaborat in Siedewasserreaktoren kann jedoch davon ausgegangen werden, dass der Wärmeübergang durch eine Verkleinerung der Blasen verbessert wird. Weitere Untersuchungen bezüglich des Austrages von Pentaborat an der Phasengrenze sowie der Bildung von Schäumen sind jedoch notwendig, und es ist den Fragen nachzugehen, ob sich diese Schäume auch bei der Einspeisung von Pentaborat in einen Siedewasserreaktor bilden können und welche Auswirkungen diese auf die oberhalb des Kerns befindlichen Dampfabscheiderzyklone und Dampftrockner haben.

Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen der im Kühlmittel von Leichtwasserreaktoren zur Reaktivitätssteuerung eingesetzten Borverbindungen auf Siedeprozesse – und damit indirekt auf die Wärmeabfuhr der Brennelemente – zu untersuchen. Bei den Siedeversuchen, die Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind, wurde besonders auf eine realitätsnahe Annäherung an die Reaktorparameter Wert gelegt. Als Unterstützung zur Interpretation der Ergebnisse dienten eigene Messungen von signifikanten physikalischen Stoffdaten an wässrigen Borsäure- und Pentaboratlösungen. Die Siedeprozesse wurden in einer eigens für diese Analysen konzipierten und errichteten Versuchsanlage SECA unter Verwendung eines Leitfähigkeitsgittersensors sowie einer Hochgeschwindigkeitskamera bei Drücken von maximal 40 bar und Temperaturen bis zu 250 °C untersucht. Entsprechend der in den Untersuchungen gewonnenen Erkenntnis wird für reale Reaktoren fol-gendes angenommen: Die Anwesenheit von Borsäure hat keinen Einfluss auf großvolumige Sie-devorgänge im betrachteten Störfallszenario eines Druckwasserreaktors, und die Auswirkungen auf das unterkühlte Sieden sind vernachlässigbar gering. Es ist nicht zu erwarten, dass der Wärmeübergang von den Brennelementen an das Kühlmittel beeinflusst wird. Bei einer Einspeisung von Pentaborat in Siedewasserreaktoren kann jedoch davon ausgegangen werden, dass der Wärmeübergang durch eine Verkleinerung der Blasen verbessert wird. Weitere Untersuchungen bezüglich des Austrages von Pentaborat an der Phasengrenze sowie der Bildung von Schäumen sind jedoch notwendig, und es ist den Fragen nachzugehen, ob sich diese Schäume auch bei der Einspeisung von Pentaborat in einen Siedewasserreaktor bilden können und welche Auswirkungen diese auf die oberhalb des Kerns befindlichen Dampfabscheiderzyklone und Dampftrockner haben.