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Numerische Simulation der Transportvorgänge beim Tropfenaufprall auf beheizte Wände unter Berücksichtigung der verdampfenden Dreiphasen-Kontaktlinien

Beschreibung

Trifft ein Flüssigkeitstropfen auf eine heiße Wand auf, so spielen sowohl die fluiddynamischen als auch die thermodynamischen Vorgänge in der Nähe der Kontaktlinie, die die Grenze zwischen Flüssigkeit, Gas und Wand definiert, eine signifikante Rolle.
Nähert sich das Fluid den Bedingungen des kritischen Zustands an, so ist das übliche Konzept einer unendlich dünnen Phasengrenze zwischen Flüssigkeit und Dampf nicht mehr vertretbar. Daher muss die Modellierung der physikalischen Vorgänge auf die veränderten Gegebenheiten zugeschnitten werden.

Das vorgeschlagene Projekt zielt auf eine umfassende theoretische und numerische Beschreibung der dynamischen Vorgänge an einer verdampfenden Kontaktlinie ab, die in Verbindung mit einem Tropfenaufprall entsteht. Dabei müssen die lokalen Nano- und Mikrophänomene in den VOF-Code (Volume Of Fluid) implementiert werden, so dass schlussendlich ein Tropfenaufprall auf ein heißes, trockenes oder benetztes Ziel simuliert werden kann und im Speziellen die Vorgänge des Ausbreitens, des Zurückziehens und des Filmaufrisses physikalisch richtig abgebildet werden können.

Das bereits existierende Modell zur Beschreibung der Transportvorgänge im Bereich der Kontaktlinie muss dahingehend erweitert werden, dass sowohl die Relativbewegung zwischen der Heizwand und der Kontaktlinie als auch eventuell nicht vollständig benetzende Systeme berücksichtigt werden können. Ein wesentliches Element des Nano- und Mikromodels nahe der Kontaktlinie ist das Konzept des Adhäsionsdrucks, wobei bis zum jetzigen Zeitpunkt ein relativ rudimentärer Ansatz in der Form ∆p-3 verwendet wird.

Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Projektes soll das bestehende Konzept dahingehend erweitert werden, dass die physikalischen Vorgänge mit einer gesteigerten Realitätsnähe abgebildet werden können. Insbesondere bei Verdampfungsvorgängen nahe des kritischen Punktes ist davon auszugehen, dass der rudimentäre Ansatz die realen Vorgänge nur noch unzureichend beschreibt, da die fluide Phasengrenze nicht mehr als Fläche, sondern als Volumen darstellt werden muss.

Vor diesem Hintergrund erweist sich die nonlocal diffuse interface theory als viel versprechend, da sie auf diesen speziellen Zustandsbereich abgestimmt ist.
Das Modell zur Beschreibung der Vorgänge im Nano-/Mikro-Bereich soll parametrisiert und dann an den VOF-Code angekoppelt werden. Dies kann in tabellarischer Form oder in Form von Korrelationen geschehen, die die Sättigungsbedingungen, die Überhitzung und die Kontaktliniengeschwindigkeit berücksichtigen.

Das Gesamtmodell soll letztlich die dynamischen Stoff- und Wärmetransportvorgänge beim Tropfenaufprall auf eine heiße Wand mit einer noch nicht erreichten Genauigkeit simulieren. Zunächst soll die Tropfenausbreitungsdynamik und die zeitliche Entwicklung des Kontaktwinkels untersucht werden, wobei die Ergebnisse dann in einem zweiten Schritt anhand experimenteller Daten validiert werden sollen. Liefert das Modell zufrieden stellende Ergebnisse, so soll im Folgenden die von den Kontaktlinienphänomenen dominierte Fingerbildung, der Aufriss des Films, die Ausbreitung der trockenen Stelle und die Entwicklung zellularer Strukturen innerhalb des flüssigen Films untersucht werden. Diese Größen sind von besonderer Bedeutung, da bei der Spraykühlung die integrale Länge und Dynamik der Kontaktlinien für die flächenbezogene Kühlleistung maßgeblich ist.

Team

Apl. Prof. Dr. Sc. Tatiana Gambaryan-Roisman

Apl. Prof. Dr. Sc. Tatiana Gambaryan-Roisman

TP-Leiterin C1/C2 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 6151 16-22264
Prof. Dr.-Ing. Peter Stephan

Prof. Dr.-Ing. Peter Stephan

TP-Leiter C1/C2 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 6151 16-22260
Henrik Sontheimer, M.Sc.

Henrik Sontheimer, M.Sc.

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Christiane Schlawitschek, M.Sc.

Christiane Schlawitschek, M.Sc.

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545526156

Publikationen

Han, H., Schlawitschek, C., Stephan, P., Gambaryan-Roisman, T., Leroy, F., Müller-Plathe, F.:
Solid-liquid interface thermal resistance affects evaporation rate of droplets from a surface: A study of perfluorohexane on chromium using molecular dynamics and continuum theory.
Langmuir, eingereicht.

Batzdorf, S., Breitenbach, J., Schlawitschek, S., Roisman, I., Tropea, C., Stephan, P., Gambaryan-Roisman, T.:
Heat transfer during simultaneous impact of two drops onto a hot solid substrate.
International Journal of Heat and Mass Transfer, eingereicht.

2016

Batzdorf, S., Gambaryan-Roisman, T., Stephan, P. (2016):
Direct numerical simulation of the microscale fluid flow and heat transfer in the three-phase contact line region during evaporation.
ASME Journal of Heat Transfer, eingereicht.

2015

Fischer, S., Gambaryan-Roisman, T., Stephan, P.:
On the development of a thin evaporating liquid film at a receding liquid/vapour-interface.
International Journal of Heat and Mass Transfer 88: 346-356, 2015.

Batzdorf, S.
Heat transfer and evaporation during single drop impingement onto a superheated wall.
Ph.D. Thesis, Technische Universität Darmstadt, 2015.

2013

Herbert, S., Fischer, S., Stephan, P., Gambaryan-Roisman, T.
Local heat transfer and phase change phenomena during single drop impingement on a hot surface
International Journal of Heat and Mass Transfer, 61 (2013) 605-614

Herbert, S., Gambaryan-Roisman, T., Stephan, P.
Influence of the governing dimensionless parameters on heat transfer during single drop impingement onto a hot wall
Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 432 (2013) 57-63

2012

Kunkelmann, C.; Ibrahem, K.; Schweizer, N.; Herbert, S.; Stephan, P.; Gambaryan-Roisman, T.
The effect of three-phase contact line speed on local evaporative heat transfer: Experimental and numerical investigations.
International Journal of Heat and Mass Transfer 55 (7-8), pp. 1896-1904, 2012.

Ajaev, V.S., Klentzmann, J., Gambaryan-Roisman, T., Stephan, P.
Fingering instability of partially wetting evaporating liquids
Journal of Engineering Mathematics, 73 (2012) 31-38

van den Akker, E.A.T., Frijns, A.J.H., Kunkelmann, C., Hilbers, P.A.J., Stephan, P., von Steenhoven, A.A.
Molecular Dynamics simulation of the microregion
International Journal of Thermal Sciences, 59 (2012) 21-28

Raj, R., Kunkelmann, C., Stephan, P., Plawsky, J., Kim, J.
Contact line behavior for a highly wetting fluid under superheated conditions
International Journal of Heat and Mass Transfer, 55 (2012) 2664-2675

2010

Ibrahem, K., Abd Rabbo, M.F, Gambaryan-Roisman, T., Stephan, P.
Experimental investigation of evaporative heat transfer characteristics at the 3-phase contact line
Experimental Thermal and Fluid Science, 34 (2010) 1036-1041

Ajaev, V.S., Gambaryan-Roisman, T., Stephan, P.
Static and dynamic contact angles of evaporating liquids on heated surfaces
Journal Colloid and Interface Science, 342 (2010) 550-558

Freitag, November 15, 2019