TP-C3
Beschreibung
Die wissenschaftlichen Fragestellungen dieses Teilprojekts entstehen aus der Problematik der Flugzeugvereisung, da hier die Vorhersage des Tropfenaufpralls und der Erstarrung aufgrund fehlender Grundlagen nur unzureichend möglich ist. Daher ist das Globalziel des vorliegenden Teilprojektes, ein Modell des Aufprall- und Erstarrungsvorganges zu formulieren und zu validieren, das den Aufprall von unterkühlten Einzeltropfen auf kalte Wände im Detail beschreibt. Dabei wird besondere Aufmerksamkeit auf die Dynamik der sukzessiv ablaufenden Prozesse des Aufpralls, der Tropfenausbreitung und (teilweise) Tropfenvereisung auf der Zieloberfläche sowie der anschließenden Ausbreitung der nicht vereisten Wassermasse auf der vorher gebildeten Eisschicht bis zum endgültig abgeschlossenen Vereisungsvorgang gelegt. Hier besteht die Herausforderung darin, die beobachtete Morphologie der Vereisung vorherzusagen. Diese Ziele sollen durch komplementäre experimentelle und numerische Untersuchungen erreicht werden.
Das Ziel der experimentellen Untersuchung ist in zwei Teile gegliedert: einerseits liefert die Visualisierung einzelner Tropfenaufpralle wichtige Ansätze für die physikalische Modellierung des Vorganges, andererseits dient eine umfangreiche Datenbasis in Form des zeitlichen Verlaufs des Ausbreitungsdurchmessers sowie der zeitlich veränderlichen Form des vereisenden Tropfens der Validierung des Modells bzw. der numerischen Simulationen. Bisherige Untersuchungen über Tropfenaufprallvorgänge werden vor allem durch die unterkühlten Umgebungsbedingungen und den schrägen Aufprall erweitert. Darüber hinaus bilden sich durch mehrfachen Aufprall die (Eis-)Strukturen, welche den Aufprall selbst und den Verlauf sukzessiver Tropfen beeinflussen. Schließlich sei auch der Einfluss der Trägerströmung erwähnt, wodurch z. B. eine Scherung eine Verformung des Tropfens vor dem Aufprall verursacht werden kann. Während das TP-C3 mit Wasser als Arbeitsmedium durchgeführt wird, lassen sich die erarbeiteten Methoden und Grundlagen weitestgehend direkt auf andere Stoffsysteme und Anwendungen übertragen, z. B. auf den Aufprall und die Erstarrung von Lötzinn oder die Plasmabeschichtung.
Das Ziel der numerischen Untersuchung ist die Entwicklung von geeigneten Methoden und Modellen, die sowohl die Hydrodynamik des Aufpralls als auch die Thermodynamik (Erstarrung) korrekt erfassen. Die numerische Erfassung der im Rahmen des Vereisungsprozesses sukzessiv zu verfolgenden (freien) flüssigen Oberfläche des Phaseninterface (Flüssig-Eis) und der (freien) Eisfläche basiert auf einer modifizierten Volume-of-Fluid Methode, die dank einer besseren Modellierung des Geschwindigkeitsfeldes im Prozess der Konvektion des flüssigen Volumenbruches eine höhere Auflösung der Grenzfläche ermöglicht. Dabei wird besondere Aufmerksamkeit auf die Definition des Kontaktwinkels zwischen der flüssigen Phase und der festen Wand sowie der flüssigen Phase und der Front der vereisenden Phase (mit deren sich im Laufe der Zeit ändernden Flächenform) gewidmet.
Die zu betrachtenden Strömungsfälle umfassen den senkrechten und schrägen Aufprall der Einzeltropfen unterschiedlicher Größe und Temperatur. Die Tropfen- sowie Umgebungsparameter werden so ausgewählt, damit beide charakteristische Formen der Eisbildung entstehen: rime ice (sofortige Erstarrung des Tropfens nach dem Aufprall) und glaze ice (allmähliche, teilweise Vereisung des Tropfens).
Publikationen
2021
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2012
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Impacting droplets: dynamic contact angle modelling in OpenFOAM®.
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Ink Transfer between Two Surfaces - Revision of the Continuous Surface Force Method due to Wall Interaction.
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Criscione, A. ; Chang, C. ; Roisman, I.V ; Tropea, C. ; Jakirlić, S. ; Amirfazli, A.
Numerical studies for drop transfer between two plates.
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Criscione, A., Kintea, D., Roisman, I. V., Jakirlić, S., Tukovic, Z., Tropea, C.
Computation of dendritic crystal growth in supercooled water using a level-set method
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Chang, C., Criscione, A., Jakirlic, S., Tropea, C., Amirfazli, A.:
A New Formulation for Volume-of-Fluid Simulations of Drops on Solid Surfaces: Inclusion of Adhesion Force
American Physical Society 65th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics, San Diego, USA, 2012
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Wagenknecht, E.:
Aufbau eines pneumatischen Tropfengenerators.
Bachelorarbeit, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt (2012)
Alzamil, S.:
Modellierung des nicht wärmediffusiven Bereiches beim Wachstum eines freistehenden Eiskristalls.
Bachelorarbeit, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt (2012)
Bernhardt, V.:
Numerische Untersuchung der Vereisungsvorgänge von unterkühltem Wasser.
Bachelorarbeit, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt (2012)
Kittel, H.:
Numerische Implementierung des einphasigen Stefan-Problems als bewegte Randbedingung mithilfe einer adaptiven Gitterverfeinerungsmethode.
Bachelorarbeit, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt (2012)
von der Grün, M.:
Numerische Untersuchung des Ausbreitungsverhaltens eines ruhenden Wassertropfens zwischen der Auflagefläche und einer sich senkrecht bewegenden Parallelfläche.
Bachelorarbeit, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt (2012)
Kintea, D.:
Modellierung des Stefan-Problems für unterkühlte Flüssigkeiten mithilfe einer optimierten Level-Set Methode.
Masterarbeit, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt (2012)
2011
Criscione, A.; Röhrig, R.; Opfer, L.; Roisman, I.; Jakirlic, S.; Tropea, C.
Numerical investigation of impacting water drops in air cross-flow.
24. European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, ILASS, Estoril, Portugal, 2011
Li, H.; Roisman, I. V.; Tropea, C.
Water Drop Impact on Cold Surfaces with Solidification.
Proceeding of the Sixth International Conference on Fluid Mechanics, Guangzhou, China, 2011
Röhrig, R.:
Numerische Untersuchung eines Wassertropfenaufpralls unter dem Einfluss einer Seitenströmung.
Bachelorarbeit, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt (2011)
Eichhorn, H.:
Image Post-Processing of the Impact of Super-Cooled Drops.
Bachelorarbeit, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt (2011)
Heinbücher, K.:
Hochgeschwindigkeitsaufnahme des Aufpralls unterkühlter Tropfen.
Bachelorarbeit, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt (2011)