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Untersuchung des Verhaltens von unterkühlten Tropfen hinsichtlich Verdampfung, Kondensation und Gefrierens bei unterschiedlichen Randbedingungen

Beschreibung

Im TP-B1 werden Untersuchungen zum Verhalten von Tropfen in unterkühlten Wolken durchgeführt. Dies bedeutet, dass Umgebungstemperaturen in den Wolken unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser vorherrschen. Die Tropfen in diesen Wolken können trotz der vorherrschenden tiefen Temperaturen noch flüssig und somit unterkühlt sein. Weiterhin findet man bereits gefrorene Tropfen und Eiskristalle. Von großem Interesse ist das Wechselspiel zwischen den noch flüssigen Tropfen und bereits gefrorenen Tropfen sowie Eiskristallen. Verdampfungs-, Sublimations- und Gefrierprozesse spielen eine entscheidende Rolle für die Entwicklung der Wolke und damit für das Wettergeschehen. Diese Prozesse werden in Gewitterwolken zudem von starken elektrischen Feldern beeinflusst.

Vor diesem Hintergrund werden im Rahmen dieses Teilprojektes grundlegende Experimente und Direkte Numerische Simulationen (DNS) durchgeführt. Die experimentellen Untersuchungen finden an einzelnen Tropfen innerhalb einer Beobachtungskammer statt. Die Tropfen sind dabei optisch levitiert oder fallen frei längs eines vertikalen Laserstrahls nach unten. Mit Hilfe des gestreuten Laserlichts werden Untersuchungen zum Verdampfungs- und Sublimationsverhalten der unterkühlten Tropfen durchgeführt. Untersuchungen zum homogenen und heterogenen Gefrieren der Tropfen vervollständigen die Betrachtung der tropfendynamischen Prozesse. Die Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel Temperatur, Feuchte und elektrisches Feld werden variiert.

Für die vorgesehenen numerischen Simulationen wird das hauseigene Programmpaket FS3D eingesetzt. Mit diesem Programmpaket werden Direkte Numerische Simulationen der Prozesse an einzelnen Tropfen oder sehr kleinen Tropfengruppen durchgeführt. Hierzu sind Erweiterungen des Programmpakets erforderlich. In diesem Projekt werden alle Weiterentwicklungen des Programmpakets FS3D koordiniert, betreut und zum überwiegenden Teil auch implementiert. Neben den Erweiterungen zur Simulation der unterkühlten Tropfen für TP-B1 und TP-C3 sind dies auch der Übergang zum kompressiblen Strömungsregime in Zusammenarbeit mit TP-A2 und TP-A3, die Berücksichtigung von elektromagnetischen Feldern in Zusammenarbeit mit TP-A5 und Arbeiten zur Dreiphasen-Kontaklinie mit TP-C1. Damit wird FS3D zu einem der zentralen Rechenprogrammen im SFB-TRR 75.

Die hier im TP-B1 durchgeführten Experimente und direkten numerischen Simulationen fördern einerseits das physikalische Verständnis der tropfendynamischen Prozesse, andererseits ermöglichen sie die Entwicklung von Modellen, die in andere Programmpakete, wie zum Beispiel in das im SFB-TRR 75 ebenso verwendete Programmpaket OpenFOAM, implementiert werden können. Mit OpenFOAM ist es dann möglich, ganze Systeme zu beschreiben, wie sie in den Leitbeispielen vorkommen.

Team

Prof. Dr.-Ing. habil. Bernhard Weigand

Prof. Dr.-Ing. habil. Bernhard Weigand

Vorstand | Sprecher | TP-Leiter B1 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 711 685-63590
Dipl.-Ing. Jonathan Reutzsch

Dipl.-Ing. Jonathan Reutzsch

B1 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 711 685-62314
Verena Kunberger

Verena Kunberger

B1 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 711 685-62636
3438259

Publikationen

2017

S. Ruberto, J. Reutzsch, N. Roth and B. Weigand:
A systematic experimental study on the evaporation rate of supercooled water droplets at subzero temperatures and varying relative humidity;
Experiments in Fluids; (2017). http://dx.doi.org/10.1007/s00348-017-2339-5

M. Reitzle, C. Kieffer-Roth, H. Garcke, B. Weigand:
A volume-of-fluid method for three-dimensional hexagonal solidification processes;
Journal of Computational Physics 339, pp. 356–369 http://dx.doi.org/10.1016/j.jcp.2017.03.001

Karch, G.K., Beck, F., Ertl, M., Meister, C., Schulte, K., Weigand, B., Ertl, T., Sadlo, F.:
Visual Analysis of Inclusion Dynamics in Two-Phase Flow,
IEEE Transactions on Visual Computing and Computer Graphics 99, 2017.

2016

S. Ruberto, J. Reutzsch, B. Weigand.
Experimental investigation of the evaporation rate of supercooled water droplets at constant temperature and varying relative humidity,
International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 77, 2016, http://dx.doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2016.08.005

F. I. Dragomirescu, K. Eisenschmidt, C. Rohde, B. Weigand.
Perturbation solutions for the finite radially symmetric Stefan problem,
(2016, accepted to International Journal of Thermal Sciences).

Ruberto S., Weigand B., Stegmann P., Tropea C.:
Uncertainty quantification in the localisation of morphology dependent resonances.
11th International Conference on Laser-light and Interactions with Particles, Xi’an, China, 2016.

K. Eisenschmidt, M. Ertl, H. Gomaa, C. Kieffer-Roth, C. Meister, P. Rauschenberger, M. Reitzle, K. Schlottke, B. Weigand.
Direct numerical simulations for multiphase flows: An overview of the multiphase code FS3D.
Appl.Math. Comput. 272: 508–517, 2016.

2015

P. Rauschenberger, B. Weigand.
Direct numerical simulation of rigid bodies in multiphase flow within an Eulerian framework,
Journal of Computational Physics, No. 291, 2015.

P. Rauschenberger, B. Weigand.
A Volume-of-Fluid method with interface reconstruction for ice growth in supercooled water,
Journal of Computational Physics, No. 282, 2015.

S. Ruberto,
Experimentelle Untersuchung von Phasenübergängen an unterkühlten freien Tropfen,
Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt, Universität Stuttgart, Milestone Report Graduiertenschule SimTech, 2015.

2014

P. Rauschenberger, A. Birkefeld, M. Reitzle, C. Meister, B. Weigand.
A Parallelized Method for Direct Numerical Simulations of Rigid Particles in Multiphase Flow.
High Performance Computing in Science and Engineering ’14, 2014

2012

Rauschenberger, P.; Schlottke, J.; Weigand, B.
A Computation Technique for Rigid Particle Flows in an Eulerian Framework Using the Multiphase DNS Code FS3D.
High Performance Computing in Science and Engineering '11 (eds.: W.E. Nagel, D.B. Kröner, M. Resch), Springer, 2012

2011

Eisenschmidt, K.; Rauschenberger, P.; Weigand, B.
Freezing Processes in Supercooled Droplets in Clouds: A Multiple VOF Variable Approach.
ILASS - Europe 2011, 24th European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Estoril, Portugal, 2011

Schlottke, J.; Rauschenberger, P.; Weigand, B.; Ma, C.; Bothe, D.
Volume of Fluid Direct Numerical Simulation of Heat and Mass Transfer using Sharp Temperature and Concentration Fields.
ILASS - Europe 2011, 24th European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Estoril, Portugal, 2011

Rauschenberger, P.; Schlottke J.; Eisenschmidt, K.; Weigand, B.
Direct Numerical Simulation of Multiphase Flow with Rigid Body Motion in Eulerian Framework.
ILASS - Europe 2011, 24th European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Estoril, Portugal, 2011

2010

Rauschenberger, P.; Gomaa, H.; Weigand, B.
A computation technique for rigid particle flows using the multiphase DNS code FS3D.
12th Workshop on Two-Phase Flow Predictions, Halle (Saale), Germany, 2010

Mittwoch, November 13, 2019