Model for the dynamics of liquid penetration into porous structures and its detection with the help of changes in ultrasonic attenuation [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Matias Daun

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• Publié par: technischen_universitat_darmstadt
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 78
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

Model for the dynamics of liquid penetration
into porous structures and its detection with
the help of changes in ultrasonic attenuation
Dem Fachbereich fur¨ Maschinenbau
an der Technischen Universitat Darmstadt¨
zur
Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigte
D i s s e r t a t i o n
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Matias Daun
aus Solingen
Berichterstatter Prof. Dr.-Ing. Manfred J. Hampe
Mitberichterstatter Prof. Dr.-Ing. Samuel Schabel
Tag der Einreichung 10.11.2005
Tag der mundlichen Prufung 10.01.2006¨ ¨
Darmstadt 2006
D17Acknowledgements
I want to thank
Professor Dr Manfred Hampe, Professor Dr Samuel Schabel, Dr Len Gate,
Dr Graham O’Neill, Mikko Likitalo, Chris Nutbeem, Dr Graham Pring, Dr
Marielle Lorusso, Dr Janet Preston, Dr Tony Hiorns, Dr John Husband,
the Par Moor Laboratory Team, Giselher Gruner, Ellen Das, Karl Ofner,¨
Dr Mikl´os Kanzam´ar Lidia Querling, Daniela Geisbus¨ ch, Clemens Elliger,
Oliver Heller, Jorn Buhn, Susanne Wolf, Dr Herbert Klan, Hildegard and¨
Berthold Daun, and Dorothee Hofer
for discussions, support and criticism.
This thesis would not have been possible without the special support of
IMERYS Minerals Ltd.
iEidesstattliche Erkl¨arung
Hiermit erkla¨re ich, daß ich die vorliegende Arbeit selbsta¨ndig verfaßt und
keine fremden Hilfsmittel außer den genannten verwendet habe. Ich habe
bisher noch keinen Promotionsversuch unternommen.
Solingen, im November 2005Lebenslauf
Name: Matias Daun
Geburtsdatum: 26.04.1971
Geburtsort: Solingen
Familienstand: verheiratet
1977-1981 Grundschule Stub¨ chen, Solingen
1981-1987 Realschule Vogelsang, Solingen
1987-1990 August-Dicke-Gymnasium, Solingen
Abschluß: Allgemeine Hochschulreife
1990-1991 Zivildienst
1990-1991 Fernstudium an der Fernuni Hagen, Deutschland
1991-1997 Studium an der Universitat Dortmund, Deutschland,¨
Fachbereich Chemietechnik
Abschluß Diplom
1997-1998 Stora Kabel, Deutschland
1998-2004 ECCI / Imerys Minerals Ltd, England
seit 2004 Norske Skog Walsum
vContents
Acknowledgements i
Declaration in lieu of oath iii
Curriculum Vitae v
Contents vii
Symbols ix
1 Introduction 1
2 State of the science 5
2.1 Ultrasound. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Pulse generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Sound-field generated by a piston transducer . . . . . 13
2.1.3 Pressure detected by a Sender-Receiver set-up . . . . 18
2.1.4 Attenuation of ultrasound . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Liquid penetration into capillaries . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3 Influence of Solubility and Diffusion of gas in water . . . . . 37
2.4 The Mutec Penetration Dynamics Analyser . . . . . . . . . . 43
3 Model for the Mutec 45
3.1 General description of the Mutec . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.1 Geometry of the Mutec . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.2 Functioning of the Mutec. . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.3 Operation of the Mutec . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.1.4 Technical details for the Mutec . . . . . . . . . . . . 49
3.2 Model for measurements of liquids . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.1 Model for the pulse generation of a circular piston
transducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.2 Sound-field in the Mutec . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3 Model for the sample-holder . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.4 Model for the steel insert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.5 Model for the membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4 Validation of the model 89
viiviii Contents
4.1 Measurements with liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.1.1 Measurements with manganese-sulfate . . . . . . . . 90
4.1.2 Measurementswithethanol-watermixturesinthesteel
insert. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2 Measurements with the sample-holder . . . . . . . . . . . . . 96
4.3 Measurements with membranes . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3.1 Characterisation of membranes . . . . . . . . . . . . 100
4.3.2 Measurements of membranes with the Mutec . . . . . 103
5 Future Prospects 109
6 Summary 117
Bibliography 118
List of figures and tables 121
A Mathematical derivations 133
A.1 Derivation of the pressure along the centre line . . . . . . . . 133
A.2 Derivation of the envelope function . . . . . . . . . . . . . . 134
A.3 Derivation of the pressure at an arbitrary position . . . . . 136
A.4 Limit of the Bosanquet-Equation . . . . . . . . . . . . . . . 137
A.5 Integration Boundaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
A.6 Validationofthenumericcalculationwiththeexampleofthe
pressure on the centre line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
A.7 Transmission coefficient of a plate subject to different media
on each side . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143