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Tropfendynamik

Hier finden Sie weitere Informationen zum Forschungsbereich Tropfendynamik.

Themen der Tropfendynamik am ITLR

Experimentell

Ziel ist die genaue Charakterisierung von nah- und transkritischen Einspritzungen. Dazu wird am Stoßrohr oder in der Hochdruckkammer des ITLR der Strahlzerfall mithilfe lasergestützter optischer Messtechniken untersucht. Messmethoden, wie (polarisierte) elastische Lichtstreuung, Schattenaufnahmen oder Weißlicht-Extinktion, sollen angewandt werden um z.B. Tropfengrößenverteilungen im Spray besser zu bestimmen. Der Einsatz von Laser-induced thermal acoustics (LITA) erlaubt u.A.Rückschlüsse auf das Mischverhalten des eingespritzten Fluides mit seiner Umgebung.

Kontaktperson: Valerie Gerber, M. Sc.

Ziel der Forschungsarbeiten ist es, das Ausbreitungsverhalten von Tröpfchen auf superhydrophilen mikrostrukturierten Oberflächen zu untersuchen. Dabei werden die Auswirkungen unterschiedlicher Strukturmuster, das Benetzungsverhalten, definiert durch den Grad der Hydrophilie, Flüssigkeitseigenschaften und Aufprallparameter wie Geschwindigkeit, Tropfendurchmesser und Aufprallwinkel bewertet. Für die Experimente wird ein Prüfstand aufgebaut, der den Aufprall bei sehr hohen Bildraten von bis zu 1.000.000 Bildern pro Sekunde mit drei verschiedenen Perspektiven erfasst.

Kontaktperson: Patrick Foltyn, M. Sc.
Forschungsverbund: Droplet Interaction Technologies "DROPIT"

Der Aufprall von Tropfen auf dünne Wandfilme (TFI) bestehend aus einer zweiten Flüssigkeit ist ein häufig vorkommender Prozess, sowohl in der Natur, als auch in der Technik. Trotzdem handelt es sich hierbei um ein wenig beachtetes Forschungsgebiet im Vergleich zur Einkomponenten Tropfen-Wandfilm-Interaktion. Daher ist die erste Zielsetzung dieser Arbeit die Evaluierung der für die Einkomponenten TFI existierenden Modelle und Erkenntnisse im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit auf die Zweikomponenten TFI. Im zweiten Schritt sollen notwendige Anpassungen vorgenommen werden, bevor zuletzt eine einheitliche Behandlung von Ein – und Zweikomponenten TFIs eingeführt wird.

Kontaktperson: Dipl.-Ing. Anne Geppert

Ziel des Projektes ist die Untersuchung des Tropfenaufpralls auf dünne Wandfilme, insbesondere die der sogenannten „Krone“, ein sich während des Aufpralls ausbildender, invertierter Kegelstumpf. Eine vereinheitliche Vorgehensweise soll die Beobachtung der mikroskopischen Strömung in dem dünnen Film und der makroskopischen Kroneneigenschaften ermöglichen, um Splashing unterschiedlicher Flüssigkeiten besser zu verstehen. Das sogenannte Splashing hängt ab von verschiedenen Parametern wie Tropfengrößenverteilung und Vermischung. Darüber hinaus soll die Skalierung von kinetischen Kronenparameter zur Bestimmung der zugrunde liegenden Instabilitätsmechanismen beitragen. Hochgeschwindigskeitsaufnahmen und moderne Visualisierungstechniken wie Mikro-PIV für instationäre Strömungen werden verwendet, um mikro- and makroskopischen Strömungen während Splashing aufzunehmen.

Kontaktperson: Ronan Bernard, M. Sc.
Forschungsverbund: Droplet Interaction Technologies "DROPIT"

Dieses Projekt ist Teil des internationalen Graduiertenkollegs (GRK 2160/1) Droplet Interaction Technologies (DROPIT). Eines der Hauptziele des Projekts ist die Entwicklung neuartiger optischer Verfahren wie z.B. die micro Particle Image Velocimetry (micro-PIV), die auf  die Interaktion zwischen Tröpfchen und Wandfilm angewendet werden soll. Das Projekt zielt darauf ab, ein eins-zu-eins Verständnis der makroskopischen Phänomene, etwa der Wechselwirkung zwischen den Tröpfchen und dem Wandfilm und den entsprechenden mikroskopischen Strömungsfeldern unter Verwendung der aus micro-PIV extrahierten Messungen zu entwickeln.

Kontaktperson: Dr. Visakh Vaikuntanathan
Forschungsverbund: Droplet Interaction Technologies "DROPIT"

Um Prozesse in Wolken besser zu verstehen, werden Experimente zur Untersuchung von Graupel-/Grieselbildung durchgeführt. Diese entsteht, wenn unterkühlte Tropfen mit Schnee- oder Eiskristallen kollidieren.  Außerdem soll die Entstehung und Struktur von Raueis untersucht werden. In diesem Versuchsaufbau treffen unterkühlte oder bereits gefrorene Tropfen auf eine Oberfläche. Im Vordergrund steht dabei die Interaktion der ankommenden Tropfen mit den bereits auf der Oberfläche niedergeschlagenen Tropfen.

Kontaktperson: Verena Kunberger, M. Sc.
Forschungsverbund: SFB Transregio 75 "SFB TRR75"

Die Einspritzung von Fluiden in eine überkritische Umgebung, wie sie beispielsweise in aufgeladenen Kolbenmotoren auftreten, hat Verbesserungspotenzial bezüglich der Effizienz oder auch der Kontrolle von Verbrennungsinstabilitäten. Die bei diesen extremen Bedingungen auftretenden Verdampfungs- und Zerfallsprozesse sowie Änderungen des grundlegenden Fluidverhaltens sind auf physikalischer Ebene nur unzureichend verstanden. Dies betrifft im speziellen den Übergang von der Verdampfung hin zu einem diffusen Mischungsvorgang, welcher beim Auflösen der Phasengrenze bei (T>Tkrit, p>pkrit) entsteht.

Die Zielsetzung dieses Forschungsthemas, ist eine umfangreiche experimentale Untersuchung, welche mithilfe von analytischen Verdampfungsmodellen unterstütz wird. Im Reinstoff wird die akustische Dämpfung, die Temperaturleitfähigkeit sowie die Schallgeschwindigkeit in der Nähe des kritischen Punktes, der Widom Line sowie der kritischen Isotherme mithilfe von Laserinduzierte Thermischer Akustik (LITA) untersucht. Ziel ist hierbei eine makroskopische Untersuchung des Fluidverhaltens in unterschiedlichen Zuständen des Fluides, welche aus mikroskopischen Untersuchungen abgeleitet werden können. Neben diesen grundlegenden Untersuchungen an Reinstoffen wird die Fluideinspritzung in nahkritische Umgebungen untersucht, Hierbei werden neben LITA zur Untersuchung der Schallgeschwindigkeit im Tropfennachlauf phänomenologische optische Messmethoden verwendet um die Tropfenverdampfung zu charakterisieren. Reflexionen und Brechungen des Lichtes an der Tropfenoberfläche können in diesem Zusammenhang als Indikator für die Existenz der Phasengrenze herangezogen werden.

Kontaktperson: Christoph Steinhausen, M. Sc.
Forschungsverbund: SFB Transregio 75 "SFB TRR75"

In heutigen stationären Gasturbinen wird oftmals die Eindüsung von Wasser in den Einlauf des Verdichters dazu verwendet, um die elektrische Leistung der Maschine zu steigern. Im Mittelpunkt der aktuellen Untersuchungen stehen das Verständnis und die Modellierung der vorherrschenden Prozesse. Hierfür werden sowohl experimentelle, als auch numerische Untersuchungen durchgeführt.. Auf der experimentellen Seite wird die Desintegration von Tropfen, sowie das Verhalten von Wassersträhnen beobachtet. Der numerische Teil beinhaltet DNS Simulationen, die sich hauptsächlich auf die Verdunstung von Tropfen konzentrieren.

Kontaktperson: Adrian Seck, M.Sc.

Numerisch

Tropfenkollisionen bei hoher kinetischer Energie, beispielsweise in Sprays, führen zur Desintegration des Stoßkomplexes und zur Ablösung von Sekundärtropfen von dessen Rand ("shattering"). Ein tiefgehendes Verständnis der Kollisionsdynamik ist eine Voraussetzung zur Vorhersage des Verhaltens von Sprays und kann mithilfe Direkter Numerischer Simulationen gewonnen werden. Auch Kollisionen nicht mischbarer Fluide sind für zahlreiche technische Anwendungen von großer Relevanz. Zur Simulation dieser Mehrphasenprobleme wird das ITLR-eigene Simulationsprogramm FS3D verwendet.

Kontaktperson: Dipl.-Ing. Kathrin Schulte
Forschungsverbund: SFB Transregio 75 "SFB TRR75"

Um ein besseres Verständnis für Verdunstungsprozesse –wie sie beispielsweise bei Kraftstofftropfen in den Brennräumen von Luft- und Raumfahrtantrieben sowie in Kraftfahrzeugmotoren vorkommen– zu erlangen, soll zunächst die Verdunstung von Mehrkomponenten-Tropfen numerisch untersucht werden. Hierfür soll der ITLR In-house Code FS3D dahingehend erweitert werden, dass die direkte numerische Simulation von Mehrkomponenten-Phasenwechselvorgängen möglich wird. Darauf aufbauend können eine Vielzahl technisch relevanter Vorgänge simuliert und bewertet werden.

Kontaktperson: Matthias Ibach, M.Sc.
Forschungsverbund: SFB Transregio 75 "SFB TRR75"

Bei der Simulation von Verdunstungsprozessen ist die Bestimmung der Kraftstoffmenge, die zu einem bestimmten Zeitpunkt verdunstet, und des Kraftstoffmassenstroms über die Ränder der Rechenzelle von entscheidender Bedeutung. Mit Hilfe von DNS Simulationen unter Verwendung des Programmpakets FS3D wird das Geschehen innerhalb einer Rechenzelle detailliert simuliert. Das Rechengebiet der DNS entspricht somit einer/weniger Rechenzellen der später eingesetzten LES oder RANS Rechnungen. Ziel des Projekts ist es, einen alternativen Modellierungsansatz zur Beschreibung des Tropfenverdunstungsprozesses zu entwickeln, welcher unabhängig von der verwendeten Gitterauflösung ist und die Transportmechanismen in der tropfennahen Umgebung adäquat wiedergibt. Zudem soll das entwickelte Modell in der Lage sein, die Wechselwirkung zwischen verdunstenden Tropfen zu berücksichtigen.

Kontaktperson: Dipl.-Ing. Karin Schlottke

Um die Bildung von Sprays mit Hilfe von numerischen Simulationen berechnen zu können, müssen zuerst kleinskalige Vorgänge wie der Ausgang der Kollision zweier Tropfen bekannt sein. Die Vorhersage des Ausgangs binärer Tropfenkollisionen bei hohen Weberzahlen, bei denen es zum Zerspritzen ("Shattering") und damit der Bildung von Sekundärtropfen kommt, sind der Grundstein für die prädiktive Berechnung von Sprays, wie sie beispielsweise bei der Einspritzung von Kraftstoff vorkommen. Auch sind Kollisionen zweier Tropfen unterschiedlicher, nicht mischbarer Flüssigkeiten im Rahmen des Teilprojekts A7 des Sonderforschungsbereichs Transregio 75 von Interesse. Diese treten beispielsweise bei der zusätzlichen Einspritzung von Wasser in modernen Motoren  oder auch bei Prozessen zur Medikamentenherstellung auf. Die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse der Tropfenkollision sind in den beschriebenen Fällen bisher nicht vollständig verstanden, sodass Vorhersagen des Kollisionsausgangs nur schwer möglich sind. Um durch hochaufgelöste Direkte Numerische Simulationen das Verständnis binärer Tropfenkollisionen zu erweitern, soll das ITLR-eigene Programmpaket FS3D zur DNS-Simulation weiterentwickelt werden.

Kontaktperson: Johanna Potyka, M.Sc.
Forschungsverbund: SFB Transregio 75 "SFB TRR75"

Der Mehrphasencode FS3D verfügt über ein ungesplittetes Advektionsverfahren zur Diskretisierung der Massenerhaltungsgleichung. Dazu werden schiefe Flusspolyeder benutzt, getragen durch interpolierte Geschwindigkeiten an den Zellkanten. Die Methode wird auch zur Advektion der Phasengrenze mit der Wachstumsgeschwindigkeit bei Phasenübergänge eingesetzt (Eiswachstum, Sublimation, Verdampfung). Konvektive Terme in der Energiegleichung, so wie Probleme mit 3-Phasenzellen können damit auch behandelt werden. Die Modelierung und Implementierung von Verdampfungsprozesse wurde auch neu überlegt, mit dem Ziel Korrelationen für oszillierende verdampfende Tropfen zu liefern.

Kontaktperson: Dr. rer. nat. Corine Kieffer-Roth

Ziel ist die Modell- und Methodenentwicklung zur Direkten Numerischen Simulation von Phasenwechsel-Vorgängen mit dem institutseigenem Programm FS3D. Fokus der Arbeit liegt hierbei auf Phasenübergängen von Wasser bei Bedingungen, wie sie in Wolken.

Kontaktperson: Dipl.-Ing. Martin Reitzle
Forschungsverbund: SFB Transregio 75 "SFB TRR75"

Simulation und modellierung von Tropfen-Wand-Interaktion,Tropfen-Tropfen-Kollision und Atomization mit hoher Geschwindigkeit; Implementierung von entwickelten Modelle ins OpenFOAM; Optimierung einer Konstruktion von Inhalationsgeräte.

Kontaktperson: Liu Yanchao, M. Sc.

Entwicklung einer zuverlässigen Simulationsmethode zur Berechnung des Kondensats in Ladeluftkühlern. Die Modellbildung erfolgt auf Basis von Grundlagenexperimenten und anhand von Messergebnissen realer Ladeluftkühler. Dabei steht der Einfluss der Randbedingungen auf die Menge und den Ort der Kondensatbildung im Fokus.

Kontaktperson: Irina Basler, M. Sc.

Schwerpunktmäßig werden die Phasenänderungsprozesse Verdampfung und Kondensation von Tropfen erforscht. Hierbei steht vor allem das Verhalten von unterkühlten Tropfen unter unterschiedlichen Randbedingungen im Fokus. Außerdem werden Verdunstungsprozesse in Umgebungen, die sich kritischen Bedingungen annähern, analysiert. Die Untersuchungen werden anschließend von Einzeltropfen ausgeweitet auf Tropfengruppen bis hin zu und Sprays.

Kontaktperson: Dipl.-Ing. Jonathan Reutzsch
Forschungsverbund: SFB Transregio 75 "SFB TRR75"

Ziel der Arbeit ist die numerische Untersuchung der Tropfeninteraktion mit unterschiedlichen Oberflächen im Rahmen des ITLR mehrphasencodes Free Surface 3D (FS3D). Dafür ist eine Darstellungsmethode für eingebettete starre Körper beliebiger Form auf kartesischen Gittern notwendig. Außerdem, ist die Untersuchung von verschiedenen Kontaktwinkelmodellen für die Dreiphasenkontaktlinie vorgesehen, um verschiedene Benetzungsverhalten reproduzieren zu können.

Kontaktperson: Martina Baggio, M. Sc.
Forschungsverbund: Droplet Interaction Technologies "DROPIT"

Strahlen bestehend aus nicht-newtonschen Fluiden sind für viele technische Anwendungen, wie zum Beispiel bei Sprühlacken oder auch in der Landwirtschaft, relevant. Ein besonders wichtiges Thema aus der Verfahrenstechnik ist die Sprühtrocknung, als Verfahren zur Herstellung von Partikeln mit wohldefinierten Eigenschaften. Zur Verbesserung diese Prozesses werden direkte numerische Simulationen (DNS) des primären Strahlzerfalls mit FS3D durchgeführt. Anhand der Simulationen wird sowohl die Morphologie des Strahls als auch die interne Viskositätsverteilung analysiert und die Deformationen der Strahloberfläche, so wie die Tropfengrößenverteilungen werden untersucht.

Kontaktperson: Dipl.-Ing. Moritz Ertl (ehemaliger Mitarbeiter)

Ihre Ansprechpartner

Bernhard Weigand
Prof. Dr.-Ing. habil.

Bernhard Weigand

Direktor

Jens von Wolfersdorf
Prof. Dr.-Ing.

Jens von Wolfersdorf

Stellvertretender Direktor

 

Susanne Stegmeier

Sekretariat/Verwaltung

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