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Hochauflösende Messungen zum Wärmetransport beim Tropfenaufprall auf eine heiße Wand unter besonderer Berücksichtigung der verdampfenden 3-Phasen-Kontaktlinie


Beschreibung

Der Tropfenaufprall auf eine heiße Oberfläche spielt bei einer Vielzahl von Anwendungen, wie beispielsweise bei Lackierungs- und Beschichtungsvorgängen, eine wichtige Rolle. Auch bei Spraykühlungsvorgängen von Turbinenschaufeln, bei Abschreckvorgängen während der Metallhärtung, bei der Kühlung von Metallwalzwerken und Lasern, bei der Verbrennung von Kraftstoffen in Otto- und Dieselmotoren bzw. in Brennkammern von Turbinen und im Rahmen der Plasmaspray-Technologie treten Tropfenaufprallvorgänge auf. Liegt die Oberflächentemperatur oberhalb der Sättigungstemperatur der Flüssigkeit und unterhalb der Leidenfrosttemperatur, so hängt der Wärmetransport in den Tropfen von der Tropfenhydrodynamik und dem Wärme- und Stofftransport im Bereich der Dreiphasen-Kontaktlinie ab. Dabei ist das Verständnis der dynamischen Vorgänge des Wärme- und Stofftransports im Bereich der verdampfenden Dreiphasen-Kontaktlinie immer noch lückenhaft. Um dennoch detaillierte Modelle zur Simulation der Hydrodynamik sowie der Wärmetransportvorgänge beim Tropfenaufprall entwickeln zu können, müssen zunächst experimentelle Untersuchungen der Dreiphasen-Kontaktlinie unter Verwendung hoch auflösender Vermessungstechniken durchgeführt werden. Vor diesem Hintergrund komplettiert dieses Vorhaben ein Parallelprojekt (TP-C1), in welchem die theoretischen Grundlagen und ein numerisches Modell des Prozesses entwickelt werden.

Während der ersten Projektphase soll auf experimentellem Wege der Einfluss des Systemdrucks, der Wandüberhitzung und der Meniskusgeschwindigkeit auf die örtliche und zeitliche Variation der Filmdicke untersucht werden. Ebenso soll der Einfluss des lokalen Temperaturabfalls im Bereich der Dreiphasen-Kontaktlinie sowie der Einfluss des makroskopischen Kontaktwinkels eines fortschreitenden und sich zurückziehenden Meniskus geklärt werden. Während späterer Projektphasen werden sowohl die hydrodynamischen Vorgänge als auch die Wärmetransportvorgänge während des Aufpralls einzelner Tropfen auf eine beheizte Wand untersucht. Vor dem Hintergrund der speziellen Dynamik und der Verdampfungsvorgänge im Bereich der Dreiphasen-Kontaktlinie sollen die Phänomene der Tropfenausbreitung auf der Wand, der Ausbildung fingerartiger Strukturen, des Filmaufrisses und der Filmvereinigung sowie des Auftretens von Siedevorgängen innerhalb des Films untersucht werden. Das in dieser Projektphase erlangte Wissen hinsichtlich der Dynamik sowie des Wärme- und Stofftransports im Bereich der verdampfenden Dreiphasen-Kontaktlinie bildet eine unverzichtbare Grundlage bei der Beschreibung des dynamischen Tropfenaufpralls.

Ein spezielles Augenmerk gilt den Verdampfungsvorgängen unter Verwendung nahe kritischer Fluide. Nähert man sich den Bedingungen des kritischen Punktes, so wächst die Dicke der (Flüssigkeit/Dampf) Phasengrenze, wohingegen die Oberflächenspannung gegen Null strebt. Daher wird erwartet, dass im Besonderen die Transportprozesse im Bereich der Kontaktlinie in signifikanter Weise auf die Erhöhung des Systemdrucks reagieren. Bis heute existieren keine Untersuchungen bezüglich dieses Phänomens.

Die Verdampfungsraten im Bereich der Kontaktlinie unterscheiden sich bei Gemischen signifikant von denen reiner Stoffe. Dies begründet sich durch den Einfluss des Gemischs auf das Phasengleichgewicht, durch die örtliche Variation der Verdampfungsraten der unterschiedlichen Komponenten sowie durch die örtlichen Konzentrationsunterschiede. Die von uns durchgeführten Experimente beschränken sich zunächst auf Reinstoffe, werden dann jedoch auf Gemische erweitert.

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
Alireza Gholijani, M.Sc.

Alireza Gholijani, M.Sc.

C2 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 6151 16-22270
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Publikationen

2017

S. Fischer, R.P. Sahu, S. Sinha-Ray, A.L. Yarin, T. Gambaryan-Roisman, P. Stephan:
Effect of nano-textured heater surfaces on evaporation at a single meniscus.
International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 108, pp. 2444-2450, 2017.

2016

Batzdorf, S., Breitenbach, J., Schlawitschek, C., Roisman, I. V., Tropea, C.,Stephan, P., and Gambaryan-Roisman, T.:
Heat transfer during multiple drop impacts onto a hot solid substrate.
Int. J. Heat Mass Transf. (under revision 2016)

Freystein, M., Kolberg, F., Spiegel, L., Sinha-Ray, S., Sahu, R.P., Yarin,, A. L., Gambaryan-Roisman, T., Stephan P. 2016,
Trains of Taylor bubbles over hot nano-textured mini-channel surface
Int. J. Heat Mass Transf., v. 93, pp. 827-833, doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.10.054>

2015

Fischer, S., Gambaryan-Roisman, T., Stephan, P. 2015,
On the development of a thin evaporating liquid film at a receding liquid/vapour-interface
Int. J. Heat Mass Transfer, v. 88, pp. 346-356, doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.04.055

S. Fischer:
Experimental Investigation of Heat Transfer during Evaporation in the Vicinity of Moving Three-Phase Contact Lines.
PhD thesis, TU Darmstadt, 2015.

2014

Fischer, S., Batzdorf, S., Gambaryan-Roisman, T., Stephan, P.,
High resolution heat transfer measurements at the three phase contact line of a moving single meniscus
Proceedings of the 15th International Heat Transfer Conference, IHTC15-8230, August 10-15, 2014, Kyoto, Japan

Gambaryan-Roisman, T.,
Controlling hydrodynamics, heat transfer and phase change in thin liquid films and drops
Keynote Lecture at the 15th International Heat Transfer Conference, August 10-15, 2014, Kyoto, Japan, doi:10.1615/IHTC15.kn.000001>

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
Int. J. Heat Mass Transfer 61 (2013), 605-614

2012

Fischer, S. Herbert, S., Sielaff, A., Slomski, E. M., Stephan, P., Oechsner, M.
Experimental investigation of nucleate boiling on a thermal capacitive heater under variable gravity conditions
Micro- gravity Science and Technology 24 (2012), 139–146

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
Int. J. Heat Mass Transfer 55 (2012), 1896-1904

Fischer, S. Herbert, S., Slomski, E. M., Stephan, P., Oechsner, M.
Local heat flux investigation during pool boiling single bubble cycles under reduced gravity
Proceedings 8th Int. Conference on Boiling and Condensation Heat Transfer, Lausanne, Schweiz, Juni 2012

Herbert, S., Fischer, S., Stephan, P., Gambaryan-Roisman, T.
Untersuchung des Wärmeübergangs beim Einzeltropfenaufprall auf beheizte Wände – Simulation und Experiment. Tagung des Fachgruppe Wärme- und Stoffübertragung
ProcessNet VDI/ Dechema, Weimar, 2012

Herbert, S., Fischer, S., Gambaryan-Roisman, T., Stephan, P.
Local heat transfer and phase change phenomena during single drop impingement on a hot surface
Extended Abstract, Proceedings 6th Europ. Thermal Science Conference (Eurotherm 2012), Poitier, 2012

2010

Ibrahem, K., Abd Rabbo, M.F., Gambaryan-Roismann, 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

Ibrahem, K., Abd Rabbo, M.F., Gambaryan-Roismann, T., Stephan, P.
Experimental investigation of micro-scale heat transfer at an evaporating moving the 3-phase contact line
Proceedings 14th Int. Heat Transfer Conference, IHTC14-22280, Washington DC, USA, August 2010

Ibrahem, K., Abd Rabbo, M.F., Gambaryan-Roismann, T., Stephan, P.
Experimental and numerical investigation of evaporative heat transfer in the vicinity of the 3-phase contact line
Proceedings Conference on Thermal Issues in Emerging Technologies ThETA 3, Cairo, Ägypten, Dezember 2010

Sonntag, August 25, 2019