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Modellierung und Simulation von Tropfenkollisionen bei verändertem Umgebungsdruck, hohen Geschwindigkeits- bzw. Konzentrationsgradienten sowie für nicht mischbare Flüssigkeiten

Beschreibung

Kollisionsprozesse spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Natur- und Ingenieurswissenschaftlichen Problemstellungen von wolkendynamischen Prozessen bis zu technischen Sprayanwendungen. Eine realitätsnahe Beschreibung von Tropfenpopulationen und ihrer Dynamik muss auf tiefergehendem Verständnis binärer Tropfenkollisionen als Elementarprozess aufbauen. Hierbei ist die wesentliche Fragestellung, welchen Ausgang eine Kollision in Abhängigkeit der dimensionslosen Parameter nimmt. Die Modellierung des Kollisionsprozesses im Hinblick auf seinen Ausgang - Bouncing, Coalescence oder Tropfendesintegration, unter Umständen mit der Bildung von Sekundärtropfen – bildet die Grundlage für Simulationen von z.B. Sprays auf größeren Skalen. Das für die Modellierung notwendige Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Vorgänge soll mit Hilfe Direkter Numerischer Simulationen mit dem Mehrphasencode FS3D gewonnen werden. Aufgrund der Relevanz von Kollisionen zweier Tropfen bei hohen Aufprallgeschwindigkeiten für einphasige Kraftstoffsprays soll an diesem Thema in der laufenden Förderperiode intensiv weitergearbeitet werden, um eine Modellierung der Tropfendesintegration („Splashing“) mit Vorhersage von Anzahl und Größenspektrum der Sekundärtropfen sowie deren Aufbereitung für eine Spraysimulation zu ermöglichen. Bei hohem Umgebungsdruck hingegen können Tropfen vermehrt voneinander abprallen („Bouncing“). Ziel des aktuellen Forschungsvorhabens ist der Ausbau der Modellierung und die Erweiterung von FS3D hinsichtlich der prädiktiven Beschreibung dieses Phänomens, um die Physik der Tropfenkollision erstmalig numerisch vollständig zu erfassen.

Ein weiteres wichtiges Thema sind binäre Kollisionen von Tropfen unterschiedlicher, mischbarer oder nicht mischbarer Flüssigkeiten. Die Tropfenkollision verschiedener, mischbarer Flüssigkeiten führt zu nicht balancierten Oberflächenspannungskräften. Mittels Direkter Numerischer Simulationen mit FS3D soll der Einfluss der lokal veränderlichen Stoffeigenschaften auf den Kollisionsausgang untersucht werden. Desintegriert der Tropfen, so ist, neben der Ausbildung der Randinstabilität, die Zusammensetzung der Sekundärtropfen von Interesse. Bei der Kollision von Tropfen nicht mischbarer Flüssigkeiten bestimmen die Grenzflächenspannungen den Kontaktwinkel an der Dreiphasenkontaktlinie. Hierbei kann es zu einer (teilweisen) Umschließung des Tropfens höherer Oberflächenspannung kommen. Die Auswirkungen der Flüssigkeitseigenschaften auf den Kollisionsausgang soll durch Direkte Numerische Simulationen quantifiziert werden.

Team

Team A7

Prof. Dr. rer. nat. Dieter Bothe

Prof. Dr. rer. nat. Dieter Bothe

TP-Leiter A7 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 6151 16-21463
Dr.-Ing. Kathrin Schulte

Dr.-Ing. Kathrin Schulte

TP-Leiterin A7 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 711 685-62334

Dipl. Wirtsch.-Ing. Johannes Kromer

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Johanna Potyka, M.Sc.

Johanna Potyka, M.Sc.

A7 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 711 685-62042
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Publikationen

2017

Planchette, C., Hinterbichler, H., Liu, M., Bothe, D., Brenn, G.:
Colliding dropsas coalescing and fragmenting liquid springs.
J. Fluid Mech. 814: 277-300, 2017.

Schulte, K.:
Modelling of the Initial Ice Growth in a Supercooled Liquid Droplet.
Dissertation, Universität Stuttgart, 2017.

2016

Muyuan Liu, Dieter Bothe:
Numerical study of head-on droplet collisions at high Weber numbers.
J. Fluid Mech. 289 (2016), pp 785-805.

Carole Planchette, Hannes Hinterbichler, Muyuan Liu, Dieter Bothe, Günter Brenn.
Colliding drops as coalescing and fragmenting liquid springs. Submitted.

Muyuan Liu, Dieter Bothe:
Numerical study of binary droplet collisions at high Weber numbers.
Presentation for ProcessNet Annual Conference, Bingen, Germany, 2016.

Muyuan Liu, Dieter Bothe:
Numerical study of head-on collisions of water droplets at high Weber numbers.
Poster for International Conference on Multiphase Flows, Florence, Italy, 2016.

Bothe, D. und Prüss, J.:
On the interface formation model for dynamic triple lines.
Recent Devel-opments of Mathematical Fluid Mechanics: 25-47 Springer 2016.

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

Dragomirescu, F.I., Eisenschmidt, K., Rohde, C., Weigand, B.:
Perturbation solutions for the finite radially symmetric Stefan problem.
Int. J. of Thermal Sciences 104: 386-395, 2016.

Bothe, D.:
Mass transfer across fluid interfaces - modeling the influence of adsorbed surfactant.
Proc. RIMS Symposium on “Mathematical Analysis of Viscous Incompressible Fluids”, Kyoto University, 2016.

2013-2011

Ma, C., Bothe, D.
Numerical Modeling of Thermocapillary Two-Phase Flows with Evaporation using a Two-Scalar Approach for Heat Transfer
J. Comp. Phys. 233 (2013), 552-573 (online verfügbar)

Focke, C., Bothe, D.
Direct numerical simulation of binary off-center collisions of shear thinning droplets at high Weber numbers
Physics of Fluids, 24(7) (2012), 073105

Ma, C., Bothe, D.
Direct Numerical Simulation of Thermocapillary Flow Based on the Volume of Fluid Method
Int. J. Multiphase Flow 37 (2011), 1045-1058

Focke, C. and Bothe, D.
Computational Analysis of Binary Collisions of Shear-Thinning Droplets
J.Non-Newt. Fluid Mech. 166 (2011), 799–810

Mittwoch, November 13, 2019