Veranstaltungen

• Vom 29.06.-02.07. 2014 wurde mit der Unterstützung des SFB-TRR 75 von Prof. Bothe, Dr. Marschall, Prof. Hieber, Prof. Oberlack, Prof. Reusken, Prof. Schäfer, Prof. Stephan, Prof. Tropea und Prof. Weigand die ICNMMF-II in Darmstadt veranstaltet. Bei dieser Konferenz fanden 111 Vorträge statt.

• Der "Short Course on Atomization & Sprays" durchgefürt vom Profilbereich Thermo-Fluids & Interfaces der TU Darmstadt mit Unterstützung des SFB-TRR75 konnte inzwischen schon dreimal stattfinden: 23.-26. 2. 2015, 15.-18. 2. 2016 und 20.-23. 2 .2017. Hier werden das state-of-the-art Verständnis von Zerfallsprozessen zusammen mit der technischen Umsetzung vermittelt. Wichtig sind diese Prozesse in einer Vielzahl von technischen Anwendungen, wie bspw. spray drying, Lackieren, Brennstoff-Einspritzung, usw.
  
  
• Im Zeitraum vom 5.-7.11. 2014 fand in Stuttgart der durch den SFB-TRR 75 veranstaltete Workshop "Recent Advances in Numerical Methods for Hyperbolic Conservation Laws" statt. Besonderer Schwerpunkt war die Behandlung von Phasenfronten mit den für Stosswellen entwickelten numerischen Methoden.
  
  
• Vom 16.-20. März 2015 fand in Trient in Norditalien die Tagung "European Workshop on High Order Non-linear Numerical Methods for Evolutionary PDEs: Theory and Applications - HONOM 2015" statt. Diese Tagung wurde von Prof. Munz in Zusammenarbeit mit Prof. Dumbser, Prof. Toro, beide Trient, und Prof. R. Abgrall, Zürich, mit Unterstützung des SFB-TRR 75 organisiert. Diese Tagung wurde zum fünften Male ausgerichtet und hat sich als eine wichtige Konferenz in dem Bereich der Entwicklung numerischer Methoden für Strömungsvorgänge etabliert.
  
  
• Vom 23.-27. März 2015 wurde von Prof. Munz und Prof. Rohde die Sektion 18 der GAMM 2015 in Lecce (Italien) veranstaltet. In dieser Sektion „Numerical methods for differential equations“ fanden 26 Vorträge statt, wobei 10 Beiträge sich mit Aspekten von Mehrpasenströmungen beschäftigten.
  
  
• Vom 27.-31. März 2017 wurde in Stuttgart von Prof. Munz die Tagung "European Workshop on High Order Nonlinear Numerical Methods for Evolutionary PDEs: Theory and Applications - HONOM 2017" mit Unterstützung des SFB-TRR 75 veranstaltet. Dies war eine ECCOMAS Thematic Conference mit fast hundert Teilnehmern und 48 Vorträgen. Dabei gab es eine Sektion mit Vorträgen speziell aus dem Mehrphasenbereich.
  
  
• Vom 27.-28. Februar 2017 fand der Workshop Topology-Based Methods in Visualization (TopoInVis 2017) in Tokyo statt, der von Prof. Sadlo als Co-Chair organisiert und geleitet wurde.
  
  
• Das Mathematische Forschungsinstitut Oberwolfach hat für 2017 das von Prof. Bothe und Prof. Rohde vorgeschlagene Oberwolfach Seminar "Compressible and Incompressible Multiphase Flows:  Modelling, Analysis, Numerics" ausgewählt. Dieses findet vom 4.-10. Juni 2017 statt.
  
  
• Vom 11.-13. Mai 2017 findet in Heidelberg die Tagung "SAFT 2017 Conference" statt. Diese Tagung wird unter Leitung von Prof. Groß, Universität Stuttgart, in Zusammenarbeit mit Prof. Sadowski, TU Dortmund, und Prof. Enders, KIT, mit Unterstützung des SFB-TRR 75 organisiert. Die Statistical Associating Fluid Theory (SAFT) ermöglicht die thermodynamische Beschreibung komplexer Moleküle und deren Wechselwirkungen. Alle zwei Jahre ausgerichtet, versammelt sie internationale Größen und dient als Inkubator für die Forschung auf diesem Gebiet.

Sommerprogramm

Zahlreiche Teilprojekte des SFB-TRR 75 arbeiten drei Wochen lang intensiv mit
internationalen Gastwissenschaftlern an 8 verschiedenen Projekten

• Freezing of supercooled water drops along a varying solid substrate - M. Schremb (C3), J.M. Campbell, H.K. Christenson and C. Tropea (C3)

Der thermische Einfluss einer kalten Wand auf den Erstarrungsvorgang eines aufsitzenden Wassertropfens wird experimentell untersucht. Dabei wird die Wachstumsgeschwindigkeit des initialen Eisfilms im Tropfen (bevor dendritisches Wachstum einsetzt) mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet. Der Einfluss verschiedener Substrate und Unterkühlungen des Tropfens wird untersucht.

J.M. Campbell und H.K. Christenson von der School of Physics and Astronomy der University of Leeds haben als internationale Gäste teilgenommen. Daraus entstand die Publikation "Ice Layer Spreading along a Solid Substrate during Solidification of Supercooled Water: Experiments and Modeling", welches in Langmuir (DOI: 10.1021/acs.langmuir.7b00930) veröffentlicht wurde.

• Evaporation of films - Dr. Haoxue Han, Prof. Dr. Florian Müller-Plathe (A4)

Die Integration von state-of-the-art Schaltkreisen in dreidimensionaler Mikroelektronik wird durch Überhitzungsprobleme limitiert. Ein fundamentales Verständnis der Wärmeübertragung an Grenzflächen von flüssigen und festen Phasen ist unerlässlich für die Entwicklung von Kühlsystemen zur effizienten Energieabfuhr. Der Widerstand für die Wärmeübertragung von Bauteil zu Kühlflüssigkeit kann durch die Erzeugung einer Flüssigkeitsschicht mit höherer Dichte nahe der Grenzfläche gesenkt werden. Wir zeigen durch molekulardynamische Simulationen von n-Perfluorhexan auf einer generischen, benetzbaren Oberfläche, dass die Wärmeleitfähigkeit durch die Grenzfläche drastisch gesteigert werden kann, wenn man eine Strukturierung der Flüssigphase erzwingt, die über die erste monomolekulare Schicht hinausgeht. Dies lässt sich durch Erhöhung des Drucks erreichen. Bis zu Drücken von 16.2 MPa bei Raumtemperatur steigt dabei die Wärmeleitfähigkeit an. Mechanistisch geschieht dies durch eine Veränderung im Spektrum der für den Wärmeübergang verantwortlichen Gitterschwingungen: Durch Druckerhöhung werden die die Wärmeübertragungsrate bestimmenden Maxima im Wärmestromspektrum verbreitert. Diese Ergebnisse zeigen, dass Druck ein wichtiger externer Parameter ist, der genutzt werden kann um den Wärmeübergang an Grenzflächen zwischen festen Substraten und Kühlflüssigkeiten zu kontrollieren.

Während des Sommerprogramms entstandene Publikationen:
“Thermal transport at solid-liquid interfaces: high pressure facilitates heat flow through non-local liquid structuring”, H. Han, S. Mérabia, and F. Müller-Plathe, J. Phys. Chem. Lett. 8, 1946−1951 (2017). [DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b00227]
“Thermal transport at solid-liquid interface: From the increase of thermal resistance towards the shift of the onset of rapid boiling”, H. Han, S. Mérabia, and F. Müller-Plathe, Nanoscale (submitted).

• Electrically driven drop generation - Y. Ouedraogo (A5), C. Steinhausen (B2)

For the summer school "electrically driven drop generation", experiments on the generation of acetone and n-pentane droplets were performed. The main goal of the summer school was to determine the required parameters for the modeling of the droplet generator (dynamics of droplet wetting on the capillary, switching delays for the electrode voltage and mass flow, etc.), so that the numerical model of A5 could be verified, and be used to determine an efficient working point for the generator, in particular for n-pentane droplet generation.

The following journal paper was published as a result:
Ouedraogo, Y., Gjonaj, E., Weiland, T., De Gersem H., Steinhausen C., Lamanna G., Weigand, B., Preusche, A., Dreizler, A., Schremb, M.:
Electrohydrodynamic simulation of electrically controlled droplet generation. Int. J. Heat Fluid Fl. 64: 120-128, 2017.

Other related publications are still being reviewed.

• Diffuse Interface Models for Droplet Dynamics near Walls - C. Rohde (A3), T. Gambaryan-Roisman (C1), P. Stephan (C1), C. Schlawitscheck (C1), I. Dragomirescu (A3), L. Pismen, X. Xu, A. Chertock

Diffuse interface modelling for two-phase flow has advanced a lot in the last decade. Compressible and incompressible models have been developed using Korteweg stress tensors directly in the momentum balance (Navier-Stokes-Korteweg models) or via coupling an evolution equation for an artificial order parameter (e.g. Navier-Stokes-Allen-Cahn). In contrast to sharp interface models diffuse interface can handle singular droplet behavior including droplet-droplet and droplet-wall dynamics. In the vicinity of critical point the liquid-vapor interface is not sharp and is rather smeared over a certain thickness. The two-phase flow of near-critical fluids can be adequately described using the diffuse interface model.

The idea in this summer school project is to bring together groups from thermodynamics, from mathematical and numerical modelling to discuss the thermodynamic consistent numerical treatment in simulations near the critical point. A difficult task in the numerical simulation of multi-phase flow is the proper resolution of interfaces, especially when surface tension and phase transfer plays a significant role. We defined a set for plane phase interfaces including near wall effects for various thermodynamic conditions; numerical simulations were performed, and the thermodynamic states at the interface determined. These benchmark problems then serve as validation examples for the numerical simulations and the modelling of the thermodynamics. The diffuse interface model was applied to the description of near-wall density distribution of perfectly wetting near-critical fluids which obey the van der Waals equation of state. The interaction between the liquid molecules and the wall atoms is described using a distributed force field, which can be characterized by one parameter: the Hamaker constant. It was shown that the density of the fluid in the near-wall region increases above the equilibrium liquid density. The maximal density increases when increasing the Hamaker constant. If the temperature of the system is above the saturation temperature, corresponding to far-field pressure, the wall is covered by an adsorbed film. The adsorbed film thickness was computed as a function of the thermodynamic condition and the value of the Hamaker constant.

Guests:

Len Pismen - Department of Chemical Engineering Technion,  Israel Institute of Technology

Xinpeng Xu - Department of Physics,Technion - Israel Institute of Technology

Alina Chertock - Department of Mathematics, North Carolina State University

The results will be published in

Dragomirescu, I., Schlawitschek, C., Pismen, L., Rohde, C., Stephan, P., Gambaryan-Roisman, T. Xinpeng Xu, Near-wall density distribution of perfectly wetting van-der-Waals near-critical fluids: Diffuse interface modelling (to be submitted).

• Gas/Liquid interfaces at critical point - R. Abgrall, P. Bacigaluppi, P. M. Congedo, J. Gross (A6), T. Hitz (A2), G. Lamanna (B2), C.-D. Munz (A1), M. G. Rodio, C. Rohde (A3), C. Steinhausen (B2)

Die thermodynamisch konsistente Auflösung von Phasengrenzen in numerischen Simulationen ist eine schwierige Aufgabe, insbesondere wenn Oberflächenspannung und Phasenübergang berücksichtigt werden. In diesem Summer School Projekt wird die physikalische und numerische Modellierung von Phasengrenzen zwischen einer Gas- und Flüssigphase in der Nähe des kritischen Punktes untersucht. Um die Unterschiede der Methoden zu bewerten, werden sowohl unterkritische als auch überkritische Testprobleme herangezogen. Es werden in diesem Projekt zwei wesentliche Modellierungsansätze verglichen: Eine Sharp Interface Methode und eine Diffuse Interface Methode, welche auf einem homogenen Mischungsansatz basiert. Die Idee hinter diesem Summer School Projekt ist es, Forschergruppen aus den Gebieten der Thermodynamik sowie der mathematischen und numerischen Modellierung zusammenzubringen um die thermodynamisch konsistente numerische Behandlung von Phasengrenzen im sub- wie auch superkritischen Fall zu diskutieren.

Gäste:

R. Abgrall (Institute of Mathematics, University of Zürich, Switzerland)
P. Bacigaluppi (Institute of Mathematics, University of Zürich, Switzerland)
P. M. Congedo (INRIA Bordeaux Sud-Ouest, France)
M. G. Rodio (Laboratory DEN/DM2S/STMF/LMSF, CEA-Centre de Saclay, France)

• Binary drop collisions - J. Breitenbach (C4),  C. Tropea (C4), D. Bothe (A7), I.V. Roisman (C4), C. Tropea (C4), G. Brenn, K.L. Pan, K.L. Huang
  The present project is an experimental and numerical study of the drop collision phenomena under variable ambient pressure conditions. Binary droplet collision plays an important role in numerous engineering applications where a spray is involved. The investigation concentrates on the mechanism of drop bouncing, which is caused by a thin gas layer preventing the drops' coalescence. The question arose to what degree the exiting gas between the drop interfaces influences the overall collision dynamics. Therefore the overall goal is to predict the outcome of the binary drop collision as well as finding a scale for the bouncing/coalescence threshold.

The following guests participated in this project:
Prof. Günter Brenn, Institute of Fluid Mechanics and Heat Transfer, TU Graz.
Prof. Kuo-Long Pan, Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University
Kuan-Ling Huang, Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University

The results are published in:
Reitter,L., Liu, M., Breitenbach, J., Huang, K.-L., Bothe, D., Brenn G., Pan, K.-L, Roisman, I.V. and Tropea, C.: Experimental and computational investigation of binary drop collisions under elevated ambient pressure. ILASS–Europe 2017, 28th Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, September 2017, Valencia, Spain

• LES at transcritical conditions
  
  
• Drop collision with Janus particles - J. Breitenbach (C4), M. Schremb (C3), M. Schwarzer, A. Synytska, I.V. Roisman (C4) and C. Tropea (C3,C4)
  Der Tropfenaufprall auf polymerbeschichtete Aluminiumsubstrate wird mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen für variierende thermische Bedingungen und verschiedene Beschichtungen untersucht. Nukleationsstatistik während des Aufpralls unterkühlter Wassertropfen auf kalte Oberflächen sowie die Tropfenlebensdauer eines aufprallenden Tropfens auf eine heiße Oberflächen liegen im Fokus der Experimente. Vor allem die Rolle verschiedener Beschichtungsmaterialien (hydrophobes PDMSMA und hydrophiles PEGMA) und Beschichtungsansätze- bzw. strukturen (flache Bürstenbeschichtung, einheitlich partikuläre Beschichtung, gemischt partikuläre Beschichtung und Januspartikelbeschichtungen) werden untersucht, um bspw. den Einfluss der Benetzungseigenschaften der Oberfläche auf den Tropfenaufprall bei kalten und heißen Oberflächen zu analysieren.
  
  M. Schwarzer und A. Synytska der  "Funktionelle Partikel und Grenzflächen" Gruppe des Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden haben als Gäste teilgenommen. Eine Publikation über den Einfluss verschieden beschichteter Oberflächen auf den Nukleationsvorgang während des Aufpralls unterkühlter Wassertropfen ist in Vorbereitung.

• Binary collisions of immiscible droplets - D. Baumgartner1, V. Kunberger2, J. Potyka2, J.B. Schmidt3, T. Werner3, C. Planchette1, I.V. Roisman3, K. Schulte2
  1 ISW, TU Graz; 2 ITLR, Universität Stuttgart; 3 SLA, TU Darmstadt

In the project P2 of the summer program of the SFB-TRR75, binary collisions of immiscible droplets were investigated experimentally in Darmstadt and Graz.

As experimental data for the validation of numerical simulation is scarce, the focus of the experiments in Darmstadt lay on the collision morphology for comparison with numerical data. Of specific interest was the influence of the wettability and spreading parameter of different liquids. Therefore, three liquid combinations were investigated: Silicone oil M5, n-Hexadecane and 1-Bromonaphtalene with an aqueous Glycerol solution (73,5% w:w).

A Glycerol drop was levitated acoustically, the other fluids were dropped from a needle and collided with the Glycerol drop. With two high speed cameras, it was possible to observe the contact line and determine the orders of magnitude for the contact line and rim velocity. For negative spreading parameters, dewetting could be observed for all impact parameters.

At the same time, experiments were conducted in Graz to complete regime maps for the collision outcomes for binary collisions of immiscible fluids with wetting and partially wetting fluids. It was possible to create data for the encapsulation, head-on fragmentation and off-center fragmentation regimes. No significant changes were found for head-on fragmentation for wetting and partial-wetting fluids. But stretching-separation occurred at lower impact parameters for wetting fluids.

• Simulation of bouncing vs coalescence in binary head-on drop collisions - J. Kromer1, D. Bothe1
  1 TU Darmstadt

A truly predictive numerical simulation of the outcome of binary head-on droplet collisions, namely “bouncing” versus “coalescence”, requires physically sound subgrid-scale information. For this purpose, a lubrication approximation of the Boltzmann equations - governed by a Poisson-type equation - is solved in a 2D subdomain of the macro-scale flow and coupled to the Volume-of-Fluid solver FS3D. A multigrid-solver for dynamic domains in 2D was implemented stand-alone and tested during the summerprogram. The multigrid-solver is currently adapted to the full lubrication equation and implemented in parallel within the flow solver FS3D.

• Modelling of a single drop impact onto a solid substrate in an electric field - J. Löwe1, G. Li2, I.V. Roismann1, V. Hinrichsen1
  1 TU-Darmstadt; 2 University of Illinois at Chicago

Description: Contribute to the ongoing effort to development and implementation of numerical model into OpenFOAM to simulate the behavior of droplet in electric fields based on VOF method. Specifically focus on the coupling of electrokinematic equations with standard incompressible N-S equations for two phase flow.

• Drop/ Spray impact onto a heated substrate structured with high-pressure water jet - O. Urazmetov1, P. Breuninger1, M. Cadet1, J. Hofmann2, J.B. Schmidt2, F. Tenzer2, I.V. Roisman2, C. Tropea2, S. Antonyuk1
   1 TU-Kaiserslautern; 2 TU-Darmstadt

The outcome phenomena of drop and spray impacts onto a heated surface as well as the heat transfer can be manipulated by the surface structure. For example, Nano-fiber coatings increase significantly the heat-cooling rate or even lead to the elimination of the Leidenfrost effect. Still the wettability of microstructured surfaces is not fully understood, especially for drop impacts onto heated surfaces. A better knowledge of the wetting effects of the surface structuring using a high pressure water jet and outcome of single drop impact will help to increase the heat transfer rate also in technical applications such as spray cooling. The present project focuses on the effect of the surface structure onto the Leidenfrost temperature at the single drop impact and spray cooling process. Single drop impact experiments as well as spray cooling experiments are performed on polished and structured surfaces for equal Reynolds numbers. The single drop impact experiments are used to characterize outcome phenomena, contact time, spreading radius and heat transfer area, while the heat flux is calculated from the spray cooling experiments. The experiments on the structured surface show similar outcome phenomena of the single drop impacts for lower temperature limits compared to the polished surface and a higher heat flux and Leidenfrost temperature in the spray cooling experiments. Comparing the results of the single drop impact with the heat flux of the spray cooling experiments on the polished surface indicate a link between the contact time of the single drops and the Leidenfrost temperature in the spray cooling experiments.

Microscope images of the surface structure. On the left side is the polished sample (Sa = 0.0108 µm) and on the right side the waterjet treated surface (Sa = 9.96 µm to 12.6 µm) is shown.

•  Modeling and simulation of droplet evaporation in different gas environments under supercritical conditions - D. Kütemeier1, A. Vaidyanathan2, A. Sadiki1
  1 TU-Darmstadt; 2 IIST, India

Within an appropriate LES methodology, three approaches will be addressed under consideration of a multi-regime evaporation model. First, the multi-fluid mixing model for multi-component mixtures will be consistently formulated in the frame of the Euler-Euler method suitable for trans- and supercritical sprays. Second, the Euler-Lagrange approach will be extended to integrate the arising effects of vanishing surface tension in such sprays. Finally, since irreversible processes are involved, the essential role of the entropy production in the process and modelling analysis will be considered. The approaches will be assessed with experimental data from TP-B2 and B4.