TP-C1
Beschreibung
Trifft ein Flüssigkeitstropfen auf eine heiße Wand auf, so spielen sowohl die fluiddynamischen als auch die thermodynamischen Vorgänge in der Nähe der Kontaktlinie, die die Grenze zwischen Flüssigkeit, Gas und Wand definiert, eine signifikante Rolle.
Nähert sich das Fluid den Bedingungen des kritischen Zustands an, so ist das übliche Konzept einer unendlich dünnen Phasengrenze zwischen Flüssigkeit und Dampf nicht mehr vertretbar. Daher muss die Modellierung der physikalischen Vorgänge auf die veränderten Gegebenheiten zugeschnitten werden.
Das vorgeschlagene Projekt zielt auf eine umfassende theoretische und numerische Beschreibung der dynamischen Vorgänge an einer verdampfenden Kontaktlinie ab, die in Verbindung mit einem Tropfenaufprall entsteht. Dabei müssen die lokalen Nano- und Mikrophänomene in den VOF-Code (Volume Of Fluid) implementiert werden, so dass schlussendlich ein Tropfenaufprall auf ein heißes, trockenes oder benetztes Ziel simuliert werden kann und im Speziellen die Vorgänge des Ausbreitens, des Zurückziehens und des Filmaufrisses physikalisch richtig abgebildet werden können.
Das bereits existierende Modell zur Beschreibung der Transportvorgänge im Bereich der Kontaktlinie muss dahingehend erweitert werden, dass sowohl die Relativbewegung zwischen der Heizwand und der Kontaktlinie als auch eventuell nicht vollständig benetzende Systeme berücksichtigt werden können. Ein wesentliches Element des Nano- und Mikromodels nahe der Kontaktlinie ist das Konzept des Adhäsionsdrucks, wobei bis zum jetzigen Zeitpunkt ein relativ rudimentärer Ansatz in der Form ∆p-3 verwendet wird.
Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Projektes soll das bestehende Konzept dahingehend erweitert werden, dass die physikalischen Vorgänge mit einer gesteigerten Realitätsnähe abgebildet werden können. Insbesondere bei Verdampfungsvorgängen nahe des kritischen Punktes ist davon auszugehen, dass der rudimentäre Ansatz die realen Vorgänge nur noch unzureichend beschreibt, da die fluide Phasengrenze nicht mehr als Fläche, sondern als Volumen darstellt werden muss.
Vor diesem Hintergrund erweist sich die nonlocal diffuse interface theory als viel versprechend, da sie auf diesen speziellen Zustandsbereich abgestimmt ist.
Das Modell zur Beschreibung der Vorgänge im Nano-/Mikro-Bereich soll parametrisiert und dann an den VOF-Code angekoppelt werden. Dies kann in tabellarischer Form oder in Form von Korrelationen geschehen, die die Sättigungsbedingungen, die Überhitzung und die Kontaktliniengeschwindigkeit berücksichtigen.
Das Gesamtmodell soll letztlich die dynamischen Stoff- und Wärmetransportvorgänge beim Tropfenaufprall auf eine heiße Wand mit einer noch nicht erreichten Genauigkeit simulieren. Zunächst soll die Tropfenausbreitungsdynamik und die zeitliche Entwicklung des Kontaktwinkels untersucht werden, wobei die Ergebnisse dann in einem zweiten Schritt anhand experimenteller Daten validiert werden sollen. Liefert das Modell zufrieden stellende Ergebnisse, so soll im Folgenden die von den Kontaktlinienphänomenen dominierte Fingerbildung, der Aufriss des Films, die Ausbreitung der trockenen Stelle und die Entwicklung zellularer Strukturen innerhalb des flüssigen Films untersucht werden. Diese Größen sind von besonderer Bedeutung, da bei der Spraykühlung die integrale Länge und Dynamik der Kontaktlinien für die flächenbezogene Kühlleistung maßgeblich ist.
Publikationen
2021
Gholijani, A., Gambaryan-Roisman, T., Stephan, P.:
Experimental investigation of hydrodynamics and heat transport during horizontal coalescence of two drops impinging a hot wall
Exp. Therm. Fluid Sci., 110520, 2021
DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2021.110520 (in press).
Guggilla, G., Narayanaswamy, R., Stephan, P., Pattamatta, A.:
Heat transfer characteristics of a train of droplets impinging over a hot surface: From film evaporation to Leidenfrost point
Journal of Heat Transfer, 143 (6), S. 061602. 2021.
DOI: 10.1115/1.4050718
Guggilla, G., Narayanaswamy, R., Stephan, P., Pattamatta, A.:
Influence of flow rate and surface thickness on heat transfer characteristics of two consecutively impinging droplets on a heated surface
International Journal of Heat and Mass Transfer, 165 (pt. B), S. 120688. 2021
DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120688
2020
Gholijani, A., Schlawitschek, C., Gambaryan-Roisman, T., Stephan, P.:
Heat transfer during drop impingement onto a hot wall: The influence of wall superheat, impact velocity, and drop diameter
International Journal of Heat and Mass Transfer, 153, S. 119661, 2020.
DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119661
Gholijani, A., Gambaryan-Roisman, T., Stephan, P.:
Experimental investigation of hydrodynamics and heat transport during vertical coalescence of multiple successive drops impacting a hot wall under saturated vapor atmosphere
Exp. Therm. Fluid Sci., v. 118, p. 110145, 2020
DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2020.110145.
Schlawitschek, C.:
Numerical simulation of drop impact and evaporation on superheated surfaces at low and high ambient pressures
Dissertation, Darmstadt, Technische Universität, 2020.
DOI: 10.25534/tuprints-00011800
2018
Batzdorf, S., Gambaryan-Roisman, T., Stephan, P.:
Direct numerical simulation of the microscale fluid flow and heat transfer in the three-phase contact line region during evaporation.
Journal of Heat Transfer, 140 (3), S. 032401-1, 2018.
DOI: 10.1115/1.4038191
2017
Han, H., Schlawitschek, C., Stephan, P., Gambaryan-Roisman, T., Leroy, F., Müller-Plathe, F.:
Solid-liquid interface thermal resistance affects evaporation rate of droplets from a surface: A study of perfluorohexane on chromium using molecular dynamics and continuum theory.
Langmuir, 33(21):5336-5343, 2017
DOI: 10.1021/acs.langmuir.7b01410
Batzdorf, S., Breitenbach, J., Schlawitschek, S., Roisman, I., Tropea, C., Stephan, P., Gambaryan-Roisman, T.:
Heat transfer during simultaneous impact of two drops onto a hot solid substrate.
International Journal of Heat and Mass Transfer, 113, S. 898-907, 2017
DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.05.091.
2015
Fischer, S., Gambaryan-Roisman, T., Stephan, P.:
On the development of a thin evaporating liquid film at a receding liquid/vapour-interface.
International Journal of Heat and Mass Transfer 88: 346-356, 2015.
Batzdorf, S.
Heat transfer and evaporation during single drop impingement onto a superheated wall.
Ph.D. Thesis, Technische Universität Darmstadt, 2015.
2013
Herbert, S., Fischer, S., Stephan, P., Gambaryan-Roisman, T.
Local heat transfer and phase change phenomena during single drop impingement on a hot surface
International Journal of Heat and Mass Transfer, 61 (2013) 605-614
Herbert, S., Gambaryan-Roisman, T., Stephan, P.
Influence of the governing dimensionless parameters on heat transfer during single drop impingement onto a hot wall
Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 432 (2013) 57-63
2012
Kunkelmann, C.; Ibrahem, K.; Schweizer, N.; Herbert, S.; Stephan, P.; Gambaryan-Roisman, T.
The effect of three-phase contact line speed on local evaporative heat transfer: Experimental and numerical investigations.
International Journal of Heat and Mass Transfer 55 (7-8), pp. 1896-1904, 2012.
Ajaev, V.S., Klentzmann, J., Gambaryan-Roisman, T., Stephan, P.
Fingering instability of partially wetting evaporating liquids
Journal of Engineering Mathematics, 73 (2012) 31-38
van den Akker, E.A.T., Frijns, A.J.H., Kunkelmann, C., Hilbers, P.A.J., Stephan, P., von Steenhoven, A.A.
Molecular Dynamics simulation of the microregion
International Journal of Thermal Sciences, 59 (2012) 21-28
Raj, R., Kunkelmann, C., Stephan, P., Plawsky, J., Kim, J.
Contact line behavior for a highly wetting fluid under superheated conditions
International Journal of Heat and Mass Transfer, 55 (2012) 2664-2675
2010
Ibrahem, K., Abd Rabbo, M.F, Gambaryan-Roisman, T., Stephan, P.
Experimental investigation of evaporative heat transfer characteristics at the 3-phase contact line
Experimental Thermal and Fluid Science, 34 (2010) 1036-1041
Ajaev, V.S., Gambaryan-Roisman, T., Stephan, P.
Static and dynamic contact angles of evaporating liquids on heated surfaces
Journal Colloid and Interface Science, 342 (2010) 550-558