Forschung

Tropfen spielen in vielen Bereichen der Natur und Technik eine zentrale Rolle. Beispiele aus der Natur sind Regen, Wolken oder Nebel. Im Hinblick auf technische Prozesse ist die Verdampfung von Tropfen in Kraftstoffsprays bei der Verbrennung in Kraftfahrzeugmotoren oder Flugtriebwerken als Anwendung zu nennen, wobei diese Vorgänge direkt mit der Entstehung von Schadstoffen verknüpft sind. 

Das grundsätzliche Verständnis von tropfendynamischen Prozessen ist entscheidend für die Voraussage natürlicher Prozesse sowie die Optimierung technischer Systeme. Viele dieser Prozesse laufen unter extremen Umgebungsbedingungen, z.B. hohem Druck oder extremen Temperaturen, ab und werden schon in der Technik angewandt, obwohl es noch große Lücken im grundlegenden Verständnis gibt. Hier genau setzt nun der Transregio an. Ziel ist es, ein vertieftes physikalisches Verständnis der wesentlichen Vorgänge zu gewinnen. Darauf basierend sollen Wege zur analytischen und numerischen Beschreibung aufgezeigt und diese selbstverständlich auch umgesetzt werden. Zudem wird dadurch auch eine Verbesserung der Vorhersage von größeren Systemen in der Natur oder in technischen Anlagen ermöglicht.

Die gewonnenen Erkenntnisse sollen exemplarisch auf fünf ausgewählte Systeme als "Leitbeispiele" angewendet werden:

• Das Verhalten unterkühlter und potenziell elektrisch geladener Tropfen in Wolken ist für die Niederschlagsvorhersage von entscheidender Bedeutung.
• Der Aufprall unterkühlter Tropfen (Supercooled Large Droplets, SLD) auf Flugzeugbauteile führt zur Bildung von Eisschichten, welche die Flugeigenschaften stark beeinträchtigen oder zum Absturz des Flugzeugs führen können.
• Das Verhalten stark geladener Tropfen auf Isolatoroberflächen, wie sie auf Hochspannungsleitungen anzutreffen sind, beeinflusst das Durchschlagsvermögen der Hochspannung und somit die Güte des Isolators.
• Für das Verhalten von Tropfen in Raketenbrennkammern sind verschiedene Vorgänge unter extremen Bedingungen bedeutsam. Dazu gehören das über- bzw. transkritische Einspritzen von Treibstoff sowie das aufgrund der Überhitzung des Treibstoffs auftretende sogenannte "Flash Boiling"
• Das Verhalten von Kraftstoffsprays in zukünftigen Verbrennungssysteme mit steigenden Prozessdrücken wird wesentlich durch die auftretenden überkritischen Zustände bestimmt.

Durch Vergleiche der Voraussagen mit dem tatsächlichen Verhalten der Systeme wird dabei eine fortlaufende kritische Überprüfung der gewonnen Ergebnisse gewährleistet. Die wissenschaftliche Kernthematik des Transregios liegt in der skalenübergreifenden Modellierung und Beschreibung von Prozessen. Skalenübergeifend bedeutet, dass sich die Größenskala der betrachteten Vorgänge im Bereich von 10-10 m beim Wachstum von Eiskristallen bis hin zu mehreren Kilometern (104 m) beim Betrachten ganzer Wolken bewegt. Entsprechend verändern sich auch die charakteristischen Zeiten in einem sehr großen Bereich.

Der SFB-TRR 75 hat sich daher folgende Ziele gesetzt:

• Physikalisches Verständnis von tropfendynamischen Prozessen unter Nichtgleichgewichtsbedingungen und/oder in kritischen Bereichen, wie z.B. in der Nähe des kritischen Punktes, die als Folge von extremen Umgebungsbedingungen entstehen.
• Mathematische und numerische Modellierung der Vorgänge, Beschreibung und Analyse.
• Experimentelle Untersuchung der Vorgänge zur Validierung von Analytik und Numerik sowie zur Bildung von Modellen.
• Konzentration auf Gesamtprozesse, dominierende Subsysteme oder bestimmende Betriebsphasen, Aufbau von gesicherten experimentellen und mathematischen Grundlagen, Einbeziehung von modernsten Möglichkeiten des Datentransfers und der Darstellung der gewonnenen Ergebnisse.
• Anwendung der Erkenntnisse auf die oben aufgeführten Systeme, die als "Leitbespiele" dienen.

Die genannten Herausforderungen können nur durch die interdisziplinäre Kombination der Expertise aus Mathematik, Physik, Chemie, Informatik sowie den Ingenieurswissenschaften gemeistert werden. Die Mitglieder des SFB-TRR 75 stammen aus den vorgenannten Fachrichtungen.