In this study, thermocapillary-driven convection around a gas bubble under a horizontal
heated wall is experimentally investigated under gravitational conditions. The thermocapillary
convective flow under conditions beyond the laminar steady state towards turbulent flow is
explored in detail.
Generally, Marangoni convection is more critical and important under microgravity conditions
rather than on earth. Under low gravity, this surface tension induced flow can dictate both heat
and mass transfer processes. Thus, thermocapillary convection should be considered by
manufacturers during material production processes in space. Moreover, temperature gradients
can be purposefully used to eliminate or move bubbles or drops suspended in liquid materials.
In addition to that, thermocapillary convective flow appears in many other applications like
manufacturing of single-walled carbon nanotubes and mono crystal production, to mention only
few examples.
Researchers have always seen Marangoni convection as an interesting topic for both numerical
and experimental studies. Regarding the configuration of the injected gas bubble under a
horizontal heated wall, this physical problem is mainly characterized by a dimensionless
number that represents the ratio of convective heat flow induced by capillary convection to the
heat transfer due to conduction which is termed Marangoni number (Mg). The past decade has
seen different approaches to describe the flow behaviour at high Marangoni numbers. The
thermocapillary flow has been mainly investigated and categorized regarding a stable laminar
behaviour and a non-laminar one, which is characterized by periodic or non-periodic
oscillations. Through previous studies, the point of the transition of the thermocapillary flow
from the periodic oscillatory zone to the non-periodic one has been well investigated. However,
there is a lack of information about this non-periodic behaviour at very high temperature
gradients. Therefore, in the current study, our experimental investigations focus mainly on
exploring different factors affecting the non-periodicity of the Marangoni convection and on
explaining how this flow behaves under conditions above the transitional Marangoni number
(Mg tran ).
The experimental work was launched using a PIV technique and shadowgraphy. In addition to
that, temperature measurements at different locations in the matrix fluid around the air bubble
were conducted to determine the undisturbed temperature gradients at different boundary
conditions. The transient observation of both velocity and temperature measurements at
locations near the bubble allowed deeper insight in the behaviour of the thermocapillary bubbleconvection. Moreover, through shadowgraphy, a qualitative evaluation of the fluid flow
periodicity around the gas bubble was achieved. The implementation of experiments inside a
pressure chamber under gauge pressure conditions formed a novel methodology to enable us
conducting experiments under higher temperature gradients in order to reach high Marangoni
numbers.
The thermocapillary bubble convection was categorized into laminar, periodic oscillatory, and
non-periodic oscillatory flow. The periodic fluid flow oscillations were categorized in
symmetric and asymmetric ones depending on the different applied boundary conditions. The
non-periodic fluid flow oscillations around the gas bubble were also achieved at high
temperature gradients for different bubble aspect ratios. We proved that for every bubble size,
the non-periodic oscillatory state of the fluid flow around the gas bubble undergoes four
different modes (A-D). The last one (phase D) is a developed turbulent state starting at Mg-
numbers of 75000 for the smallest bubble aspect ratio of 1.2 up to the maximal measured Mg-
number of 140000 for a bubble aspect ratio of 2.3. Hence, turbulent thermocapillary bubble
convection was realized and studied in our experimental configuration. Moreover, the
thermocapillary flow driving velocities at the bubble periphery were measured at different
boundary conditions. This study clearly demonstrates that it is the high magnitude of the driving
velocity that initiates the interactions between thermocapillary flow vortices leading finally to
a highly developed oscillation mode (turbulent state) and that buoyancy plays a secondary role
in the described flow configuration.:1 INTRODUCTION
2 LITERATURE REVIEW
3 EXPERIMENTAL SETUP AND METHODOLOGY
4 RESULTS AND DISCUSSION
5 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS / In dieser Arbeit wird die thermokapillare Konvektion um eine Gasblase unter einer
horizontal beheizten Wand unter Gravitationsbedingungen experimentell untersucht. Diese
thermokapillare konvektive Strömung jenseits des laminaren stationären Zustands in Richtung
turbulenter Strömung steht in dieser Arbeit im Fokus.
Im Allgemeinen ist die Marangoni-Konvektion unter Schwerelosigkeitsbedingungen kritischer
und wichtiger als auf der Erde. Unter geringen Schwerkraftkräften kann diese durch
Oberflächenspannung induzierte Strömung sowohl Wärme- als auch Stoffübergangsprozesse
maßgeblich
bestimmen.
Daher
sollte
die
thermokapillare
Konvektion
bei
Materialproduktionsprozessen im Weltraum berücksichtigt werden. Darüber hinaus können
Temperaturgradienten gezielt angewendet werden, um in flüssigen Materialien suspendierte
Blasen oder Tropfen zu entfernen oder zu bewegen. Außerdem tritt thermokapillare Strömung
in vielen anderen Anwendungen auf, beispielsweise bei der Herstellung von einwandigen
Kohlenstoffnanoröhren oder der Herstellung von Einkristallen, um nur einige Beispiele zu
nennen.
Forscher haben die Marangoni-Konvektion immer als ein wichtiges und interessantes Thema
für numerische und experimentelle Studien betrachtet. In Bezug auf die Konfiguration der
injizierten Blase unter einer horizontal beheizten Wand wird dieses physikalische Problem
hauptsächlich durch eine dimensionslose Kennzahl, die das Verhältnis des durch
Kapillarkonvektion induzierten konvektiven Wärmeübertragungs zur Wärmeübertragung
durch Leitung darstellt und als Marangoni-Zahl (Mg) bezeichnet wird, definiert. In den letzten
Jahrzehnten wurden verschiedene Ansätze zur Beschreibung des Strömungs-Verhaltens bei
höheren Marangoni-Zahlen verfolgt. Dabei wurde die Thermokapillarströmung grundsätzlich
in ein stabiles laminares und ein nicht laminares (oszillierendes) Verhalten, das durch
periodische oder nicht periodische Geschwindigkeit- und Temperatur-Fluktuationen
gekennzeichnet ist, eingeteilt. Durch frühere Studien wurde das Regime des Übergangs des
thermokapillaren Verhaltens von der periodischen Schwingungszone zur nichtperiodischen gut
untersucht. Es fehlen jedoch immer noch detaillierte Informationen über das nichtperiodische
Verhalten bei sehr hohen Temperaturgradienten. Daher konzentrieren sich unsere
experimentellen Untersuchungen in der vorliegenden Studie hauptsächlich auf die
Untersuchung
verschiedener
Faktoren,
die
die
Nichtperiodizität
der
konvektiven
Thermokapillarströmung beeinflussen, und auf eine Klärung, wie sich diese Strömung unter
verschiedenen Randbedingungen über der kritischen Marangoni-Zahl (Mg c ) verhält.Die experimentelle Arbeit wurde sowohl mit einer PIV-Technik als auch mit der Shadowgraph-
Technik durchgeführt. Darüber hinaus waren Temperaturmessungen auf Sensorbasis an
verschiedenen Stellen in der verwendeten Flüssigkeit um die Luftblase geeignet, um die
ungestörten Temperaturgradienten bei verschiedenen Randbedingungen zu bestimmen. Die
zeitabhängige Messung sowohl von Geschwindigkeiten als auch von Temperaturen an Orten in
der Nähe der Blase lieferte Informationen über das Verhalten der Konvektion der
thermokapillaren Strömung. Darüber hinaus wurde durch die Shadowgraph-Technik eine
qualitative Bewertung der Fluidströmungsperiodizität um die Blase ermöglicht. Die
Durchführung von Experimenten in einer Druckkammer unter Überdruck-Bedingungen bildet
eine neuartige Methode, um solche Experimente unter höheren Temperaturgradienten
durchzuführen
und
höhere
Marangoni-Zahlen
zu
erreichen.
Die
thermokapillare
Blasenkonvektion wurde in dieser Arbeit in laminaren stetigen Flüssigkeitsströmungen,
periodischen und nichtperiodischen oszillierenden Flüssigkeitsströmungen eingeteilt. Die
periodischen Fluidströmungsschwingungen wurden in Abhängigkeit von unterschiedlichen
Randbedingungen in symmetrische und asymmetrische eingeteilt.
Die nichtperiodischen Strömungsoszillationen um die Gasblase wurden auch bei hohen
Temperaturgradienten für verschiedene Blasenaspektverhältnisse erreicht. Wir konnten zeigen,
dass für jede Blasengröße der nichtperiodische Schwingungszustand der Strömung um die
Gasblase vier verschiedene Modi (A-D) besitzen kann. Die letzte (Phase D) ist ein hoch
entwickelter turbulenter Zustand, der bei Mg-Zahlen von 75000 für das kleinste
Blasenaspektverhältnis von 1,2 bis zur maximal gemessenen Mg-Zahl von 140000 für das
Blasenaspektverhältnis von 2,3 beginnt. Der ausgebildete turbulente Zustand der
thermokapillaren Strömung konnte mit unserer experimentellen Konfiguration erstmalig
erreicht werden.
Darüber hinaus konnten die Antriebsgeschwindigkeiten der thermokapillaren Strömung an der
Peripherie der Blase bei verschiedenen Randbedingungen gemessen werden. Diese Studie zeigt
deutlich, dass es die Höhe der Antriebsgeschwindigkeit ist, welche die Wechselwirkungen
zwischen thermokapillaren Strömungswirbeln unterschiedlicher Größe antreibt, die schließlich
zu chaotischen Schwingungen der im Folgenden beschriebenen Grenzlinie führen. Diese Studie
zeigt auch, dass die Auftriebskonvektion in der beschriebenen Strömungskonfiguration eine
untergeordnete Rolle spielt.:1 INTRODUCTION
2 LITERATURE REVIEW
3 EXPERIMENTAL SETUP AND METHODOLOGY
4 RESULTS AND DISCUSSION
5 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:74993 |
| Date | 14 September 2021 |
| Creators | Tadrous, Ebram |
| Contributors | Wozniak, Günter, Wozniak, Günter, Szymczyk, Janusz A., Technische Universität Chemnitz |
| Publisher | Universitätsverlag Chemnitz |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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