Evolution of Droplet Distributions in Hydrodynamic Systems
Entwicklung von Tropfenverteilungen in hydrodynamischen Systemen
by Tobias Lapp
Date of Examination:2011-11-25
Date of issue:2012-01-04
Advisor:Dr. Björn Hof
Referee:Dr. Björn Hof
Referee:Prof. Dr. Andreas Tilgner
Referee:Prof. Dr. Vollmer Jürgen
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2934
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Description:Dissertation
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Abstract
English
For droplets in a supersaturated environment, a complex interplay of nucleation, diffusional growth, collisions and coalescences, sedimentation and dripping determines the evolution of their size distribution. Broad size distributions of droplets are prominent in different natural phenomena and relevant to many technical applications. I address this problem in two representative settings, where I also developed novel image processing algorithms to detect and track the droplets: 1. When water vapor is condensing on a cooled substrate (breath figures), the measured droplet size distributions are characterized using the concept of a fractal dimension, where the growth rate of the droplets determines a crossover in the scaling for small droplets. The results are summarized in a master plot for the size distribution measured for a vast range of times. 2. In the phase separation of binary fluids, we follow the evolution of droplets from nucleation to precipitation in order to characterize a bottleneck in the droplet growth rate for intermediate droplet sizes. Based on this finding the period of repeated size distribution oscillations is predicted. In this case, the period can be rescaled on a master plot with production rates of droplet volume ranging over three decades and reduced temperatures ranging over two decades.
Keywords: droplet size distribution; phase separation; binary fluids; breath figures; image processing; droplet detection; particle tracking
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Bei Tropfen in einer übersättigten Umgebung bestimmt ein komplexes Zusammenspiel von Nukleation, diffusivem Wachstum, Kollisionen und Koaleszenzen, Sedimentation und Abtropfen die Entwicklung ihrer Größenverteilung. Breite Tropfenverteilungen treten in verschiedenen Naturphänomenen auf und sind in vielen technischen Anwendungen relevant. Ich befasse mich mit dieser Fragestellung in zwei repräsentativen Systemen, für die ich auch neue Bildverarbeitungsalgorithmen zur Detektion und Verfolgung von Tropfen entwickelte: 1. Wenn Wasserdampf auf einem gekühlten Substrat kondensiert (Atemniederschlagsmuster), werden die Größenverteilungen der Tropfen mit Hilfe des Konzeptes der fraktalen Dimension charakterisiert. Dabei bestimmt die Wachstumsrate der Tropfen den Übergang im Skalenverhalten der kleinen Tropfen. Die Ergebnisse werden in einem Masterplot für die Größenverteilung, die in einem weiten Zeitbereich gemessen wurden, zusammengefasst. 2. Bei der Phasenseparation binärer Fluide verfolgen wir die Entwicklung der Tropfen von der Nukleation bis zum Niederschlag, um einen Flaschenhals in der Tropfenwachstumsrate für mittlere Tropfengrößen zu charakterisieren. Darauf basierend wird die Periodendauer der sich wiederholenden Oszillationen der Tropfenverteilung vorhergesagt. Die Periodendauer kann auf einen Masterplot reskaliert werden, wobei die Produktionsrate an Tropfenvolumen über drei Dekaden variiert und die reduzierte Temperatur einen Bereich von zwei Dekaden abdeckt.
Schlagwörter: Größenverteilung; Phasen Separation; Binäre Fluids; Atemniederschlagsmuster; Bildverarbeitung; Tropfenerkennung; Teilchenverfolgung
