Diese Dissertation untersucht turbulente Emulsionen, die mit Tensiden und Partikeln beladen sind, unter Verwendung direkter numerischer Simulationen (DNS). Im Fokus stehen die Auswirkungen der Löslichkeit von Tensiden und der Benetzbarkeit von Partikeln auf deren Adsorption und Aufnahme an Grenzflächen. Die Dispersionen werden durch eine Phasenfeldmethode beschrieben, die auf dem thermodynamischen Grundsatz der freien Energie basiert, die lösliche Tenside berücksichtigt. Die Partikel werden mittels eines Lagrange-Ansatzes verfolgt und sind über Grenzflächenkräfte mit der Phasengrenze und damit der Phasenfeldfunktion gekoppelt.Der erste wesentliche methodische Fortschritt dieser Arbeit ist die Einführung der hydrophil-lipophilen Balance (HLB) des Tensids – also seiner chemischen Affinität zu Wasser oder Öl – in die mathematis-che Beschreibung der freien Energie, wodurch die Simulation von sowohl hydrophilen als auch lipophilen Tensiden ermöglicht wird. Mithilfe von DNS turbulenter Öl-in-Wasser-Emulsionen untersucht der erste Teil der Dissertation, wie die Löslichkeit von Tensiden die Grenzflächenadsorption und letztlich die Verform-barkeit von Tröpfchen beeinflusst. Das wichtigste Ergebnis ist, dass öllösliche Tenside in deutlich höheren Konzentrationen an den Phasenoberflächen auftreten als wasserlösliche. Trotz der damit verbundenen Ver-ringerung der Grenzflächenspannung wird die Gesamtmorphologie der Emulsion nur schwach beeinflusst. Dies ist auf eine erhöhte Heterogenität in der Grenzflächenverteilung des Tensids zurückzuführen, die mit der erhöhten mittleren Konzentration einhergeht und die Marangoni-Spannungen verstärkt, was wiederum einen versteifenden Effekt auf die Tropfenoberflächen hat, der der Deformation entgegenwirkt. Analysen von Tensidflüssen und des chemischen Potentials zeigen, dass die höhere Grenzflächenadsorption lipophiler Tenside aus einem Zusammenspiel zwischen Grenzflächenanreicherung und bevorzugter Verteilung in den unterschiedlichen Phasen resultiert. Thermodynamische Nachteile im Zusammenhang mit der Löslichkeit treiben lipophile Tenside, die in die kontinuierliche Wasserphase desorbieren, zurück zur Oberfläche der Öl-tröpfchen, was zu einer erhöhten Grenzflächenadsorption führt.Darüber hinaus untersucht die Dissertation die Partikelabscheidung durch deformierbare Tropfen in tur-bulenten Strömungen. Die Benetzbarkeit der Partikel wird durch eine Grenzflächenkraft modelliert, die proportional zum Phasengradienten ist, wodurch die Partikel hydrophiles oder lipophiles Verhalten zeigen können. Dies stellt den zweiten wichtigen methodischen Fortschritt der Arbeit dar, da dadurch großskalige Simulationen benetzbarkeitsgetriebener Abscheidungen in turbulenten Mehrphasenströmungen ermöglicht werden. DNS einer mit Öltröpfchen beladenen Wasserkanalströmung zeigen, dass die Effizienz der Abschei-dung bezüglich der Benetzbarkeit asymmetrisch ist und für lipophile Partikel maximiert wird. Die Analyse der Partikelablösungsraten zeigt, dass diese Asymmetrie aus der benetzbarkeitsabhängigen Konfiguration von an der Grenzfläche eingeschlossenen Partikeln resultiert. Lipophile Partikel befinden sich bevorzugt im Inneren der Öltröpfchen, wo sie gegenüber der Turbulenz der kontinuierlichen Wasserphase abgeschirmt sind. Diese Konfiguration verringert die Ablösungsraten und erhöht die Abscheidungseffizienz im Vergleich zu hydrophilen Partikeln, die durch die Trägerströmung leichter von den Oberflächen entfernt werden. Insgesamt liefert diese Arbeit einen umfassenden und thermodynamisch fundierten Rahmen zur Unter-suchung der Tensid- und Partikeldynamik in turbulenten Mehrphasenströmungen. Die Ergebnisse heben die zentrale Rolle der bevorzugten Löslichkeit und Benetzbarkeit sowie der Strömungsasymmetrien zwischen kon-tinuierlicher und disperser Phase bei der Kontrolle von Transport-, Adsorptions- und Abscheidungsprozessenhervor. Dies hat Relevanz für Anwendungen von Emulsions- und Abscheidetechniken bis hin zu Umwelt-phänomenen.
Umberto Baù (2026) studied this question.