Die Studie stellt eine umfassende direkte numerische Simulation der Gas-Flüssigkeits-Kapillarströmung in einer gewickelten Strömungsinverter-Geometrie (CFI) vor, die die Effekte von Dean- und Taylor-Strömungen kombiniert. Mit Hilfe einer Finite-Elemente-Methode lösten die Autoren das vollständige dreidimensionale Geschwindigkeitsfeld auf und verfolgten passive Partikel, die an definierten Startpositionen platziert wurden, um die Vermischung und Dispersion zu quantifizieren. Das CFI-Modell besteht aus einer spiralförmigen Kapillare, die mit einer 360°-Drehung beginnt, eine 90°-Krümmung einschließt und mit einer zweiten 360°-Drehung fortgesetzt wird. Innendurchmesser und Wendeldurchmesser wurden variiert, während die Eigenschaften von Flüssigkeit (Wasser) und Gas (Luft) auf ρₗ = 1000 kg m-³, ρ_g = 1,2 kg m-³, μₗ = 1,12 mPa s, μ_g = 0,018 mPa s und eine reduzierte Oberflächenspannung σ = 2,5 mN m-¹ gesetzt wurden, um die numerische Stabilität zu erhalten. Es wurden Strömungsgeschwindigkeiten von 3, 6 und 12 cm s-¹ untersucht, was den Reynoldszahlen Re = 42,86, 85,71 und 171,43 entspricht. Das Phasenverhältnis von Flüssigkeit zu Gas betrug ungefähr 2,4:1, mit Blasenlängen von etwa 2,5 mm und Schneckenlängen von ungefähr 6 mm. Die Simulation zeigte, dass bei diesen niedrigen Reynoldszahlen die sekundären Dean-Wirbel, die durch Zentrifugalkräfte in den gekrümmten Abschnitten angetrieben werden, den Mischprozess dominieren. Eine hohe Strömungsgeschwindigkeit bereits nach zwei Spulen und der 90°-Krümmung führte zu einer nahezu vollständigen und homogenen Verteilung der dispergierten Phase, während der Spulendurchmesser einen sekundären Einfluss hatte, hauptsächlich durch seine Wirkung auf die dimensionslose Dean-Zahl. Die Histogramme der Partikeldispersion zeigten, dass die durch die 90°-Krümmung hervorgerufene Dispersion stärker durch die Strömungsgeschwindigkeit als durch den Spulendurchmesser beeinflusst wird. Die Autoren führten eine Transformationsmethode ein, die eine periodische Flüssigkeitsdomäne konstruiert und die Nachbearbeitung von Mischungsmerkmalen erleichtert und sich in einem breiten Bereich von Strömungsparametern als robust erweist. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass das entwickelte Mehrphasenströmungsmodell die gekoppelten Dean- und Taylor-Phänomene in CFI-Geometrien genau erfasst und dass die Mischeffizienz durch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit erheblich verbessert werden kann, wobei der Spulendurchmesser eine geringere Rolle spielt.

Das Projekt wurde an der Technischen Universität Dortmund durchgeführt. Die Berechnungen wurden auf dem LiDO-Cluster durchgeführt und das Datenmanagement wurde vom RDM-Team der TUDO unterstützt. Das Forschungsteam bestand aus OM, RM und ST, die die numerischen Simulationen und Analysen leiteten, sowie JS und NK, die experimentelle Arbeiten und die Validierung der numerischen Ergebnisse beisteuerten. Das Projekt wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP 1740 (Förderung TU 102/53-1) für die rechnerischen Aspekte und durch die DFG-Förderung KO 2349/13-1 für die experimentelle Komponente finanziert. Ein zusätzlicher DFG DEAL-Vertrag unterstützte die Open-Access-Publikation. Die Simulationsdaten wurden im Dataverse der TU Dortmund hinterlegt (DOI 10.17877/tudodata-2024-lwoxtgmw), um die Reproduzierbarkeit und Zugänglichkeit für zukünftige Studien zu gewährleisten. Die Zusammenarbeit zeigt eine erfolgreiche Integration von fortschrittlichen CFD-Techniken, experimenteller Validierung und Datenverwaltung innerhalb eines finanzierten Forschungsrahmens.