Experimental and numerical investigation of the binary droplet-film-interaction
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Vorhabens wurden das Verständnis und die Modelle für die binäre Tropfen-Film-Interaktion (TFI) durch experimentelle und numerische Arbeiten verbessert. Die experimentellen Arbeiten legten den Fokus auf dünne und sehr dünne Wandfilm, bei denen der Auftreffprozess durch die Viskosität und Instabilitäten in den Flüssigkeitsschichten geprägt ist. Komplementär dazu lag der Fokus der numerischen Arbeiten im Bereich der dickeren Wandfilme. Hier haben die Oberflächenspannung, die Dichte und das Mischungsverhalten der Flüssigkeiten einen stärkeren Einfluss auf die TFI. Damit konnte in der Kombination von Experiment und Numerik ein breiter Bereich an Wandfilmdicken abgedeckt werden. Für die experimentellen Arbeiten wurde der bereits in der ersten Förderperiode aufgebaute Prüfstand verwendet. Die systematische Untersuchung des Einflusses der Viskosität auf die Auftreffmorphologie ergab, dass die Wahl der Wandfilmflüssigkeit die Form der entstehenden Krone stark beeinflusst. Viskose Wandfilme führen zur Bildung von trichterförmigen Kronen, die vornehmlich in horizontaler Richtung wachsen, während niederviskose Wandfilme zur Bildung von zylinderförmigen Kronen führen, die stärker in die Höhe wachsen. Für die Splashinggrenze wurde an Hand der erweiterten Datenbasis eine verallgemeinerte Korrelation erarbeitet, die die Splashinggrenze erstmals als Grenzfläche im dreidimensionalen 𝛿-𝑅𝑒-𝑂ℎ-Parameterraum darstellt. Der Einfluss der unterschiedlichen Tropfen- und Wandfilmflüssigkeiten wird durch die Verwendung gemittelter Stoffeigenschaften berücksichtigt. Neben der bisher nicht verwendeten Darstellung im 3D-Parameterraum, bietet die verallgemeinerte Splashingkorrelation eine verbesserte Beschreibung des Grenzwertes für viskose Fluide. Im Bereich sehr dünner Wandfilme wurde das Phänomen des Kronenabrisses von der Wandfilmflüssigkeit detailliert untersucht, besonders im Hinblick auf zugrundeliegende Ursache und den Effekt des Kronenabrisses auf die Größenverteilung der Sekundärtropfen. In Bezug auf letzteres konnte festgestellt werden, das ein feineres Sekundärtropfenspray, also eine deutlich höhere Anzahl an Sekundärtropfen, aber mit deutlich kleineren Durchmessern im Vergleich zum Kronensplashing erzeugt wird. Zur Ursache des Kronenabrisses wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Kronenwand instabil wird sobald der Flüssigkeitsmassenstrom in die Krone, induziert durch den Tropfenaufprall, gegen Null geht. Zur Bestätigung dieser Hypothese wurde die theoretische Modellierung für den Aufprall auf ein kleines, festes Target an die TFI angepasst. Unter anderem musste eine Näherung für die Wachstumsgeschwindigkeit der Krone getroffen werden. Hier wurde angenommen, dass diese der durchschnittlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Kronenfußes entspricht, welche dann in diesem Vorhaben erfolgreich durch eine theoretische Modellierung (SPF-Modell) beschrieben werden konnte. Im Rahmen der numerischen Arbeiten wurde die Funktionalität des hauseigenen Strömungslösers FS3D zur Simulation von Mehrphasenströmung erweitert und entscheidend verbessert. Neben einer vollständigen Überarbeitung der Routinen zur Speziesadvektion wurden mehrere Mischungsmodelle und der Marangoni- Term in die FS3D zugrundeliegende Impulsgleichung implementiert, wodurch nun sowohl thermo- als auch solutokapillare Strömungsphänomene simuliert werden können. Für die dabei notwendige Bestimmung des Oberflächenspannungsgradienten wurde eine eigene Berechnungsmethode entwickelt. Die neu entwickelte Methode, die auf einer Extrapolation der Grenzflächenwerte beruht, ist zudem mit unterschiedlichen Oberflächenspannungsmodellen kombinierbar. Alle Implementierungen wurden anschließend mit ausgewählten Testfällen und mit Simulationen unterschiedlicher binärer TFI erfolgreich validiert, womit das wesentliche Ziel des Projekts erreicht werden konnte. Für die Validierung der binären TFI wurden die Daten der eigenen Experimente verwendet. Nur hierdurch wurde es überhaupt möglich numerische und experimentelle Daten mit einem hohen Detailgrad zu vergleichen, was zugleich maßgeblich zur hohen Belastbarkeit zukünftiger Simulationsergebnisse beigetragen hat. Untersuchungen zum Einfluss einer Variation des Dichte- und Viskositätsverhältnisses zeigten, dass es schon bei geringen unterschiedlichen Dichten zu einer merklichen Veränderung der Auftreffmorphologie und der Kronenparameter kommt. Die Dichtevariation muss daher Gegenstand zukünftiger Untersuchungen sein. Der Einfluss des Viskositätsverhältnisses war bei einer gewählten Filmdicke von 𝛿 = 0.40 hingegen vernachlässigbar, weshalb Untersuchungen zum Einfluss nicht-newtonscher Stoffeigenschaften verworfen wurden. Simulationen über das „Hole Formation Limit“ zeigten spontan punktuell auftretende Speziesveränderungen in der Kronenwand, welche durch Luftblasen verursacht wurden. Diese entstanden beim Desintegrieren des beim Aufprall eingeschlossenen Luftpolsters und wurden anschließend mit der radialen Strömung bis in die Kronenwand mittransportiert. Somit konnte eine mögliche Erklärung für das punktuelle Einsetzen der Lochentstehung gefunden werden. Für eine mögliche Bestätigung der Erklärung sollen experimentell binäre TFI bei unterschiedlichen Umgebungsdrücken durchgeführt werden.
Publications
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