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Aufprall unterkühlter Tropfen auf kalte Oberflächen

Beschreibung

Die wissenschaftlichen Fragestellungen dieses Teilprojekts entstehen aus der Problematik der Flugzeugvereisung, da hier die Vorhersage des Tropfenaufpralls und der Erstarrung aufgrund fehlender Grundlagen nur unzureichend möglich ist. Daher ist das Globalziel des vorliegenden Teilprojektes, ein Modell des Aufprall- und Erstarrungsvorganges zu formulieren und zu validieren, das den Aufprall von unterkühlten Einzeltropfen auf kalte Wände im Detail beschreibt. Dabei wird besondere Aufmerksamkeit auf die Dynamik der sukzessiv ablaufenden Prozesse des Aufpralls, der Tropfenausbreitung und (teilweise) Tropfenvereisung auf der Zieloberfläche sowie der anschließenden Ausbreitung der nicht vereisten Wassermasse auf der vorher gebildeten Eisschicht bis zum endgültig abgeschlossenen Vereisungsvorgang gelegt. Hier besteht die Herausforderung darin, die beobachtete Morphologie der Vereisung vorherzusagen. Diese Ziele sollen durch komplementäre experimentelle und numerische Untersuchungen erreicht werden.

Das Ziel der experimentellen Untersuchung ist in zwei Teile gegliedert: einerseits liefert die Visualisierung einzelner Tropfenaufpralle wichtige Ansätze für die physikalische Modellierung des Vorganges, andererseits dient eine umfangreiche Datenbasis in Form des zeitlichen Verlaufs des Ausbreitungsdurchmessers sowie der zeitlich veränderlichen Form des vereisenden Tropfens der Validierung des Modells bzw. der numerischen Simulationen. Bisherige Untersuchungen über Tropfenaufprallvorgänge werden vor allem durch die unterkühlten Umgebungsbedingungen und den schrägen Aufprall erweitert. Darüber hinaus bilden sich durch mehrfachen Aufprall die (Eis-)Strukturen, welche den Aufprall selbst und den Verlauf sukzessiver Tropfen beeinflussen. Schließlich sei auch der Einfluss der Trägerströmung erwähnt, wodurch z. B. eine Scherung eine Verformung des Tropfens vor dem Aufprall verursacht werden kann. Während das TP-C3 mit Wasser als Arbeitsmedium durchgeführt wird, lassen sich die erarbeiteten Methoden und Grundlagen weitestgehend direkt auf andere Stoffsysteme und Anwendungen übertragen, z. B. auf den Aufprall und die Erstarrung von Lötzinn oder die Plasmabeschichtung.

Das Ziel der numerischen Untersuchung ist die Entwicklung von geeigneten Methoden und Modellen, die sowohl die Hydrodynamik des Aufpralls als auch die Thermodynamik (Erstarrung) korrekt erfassen. Die numerische Erfassung der im Rahmen des Vereisungsprozesses sukzessiv zu verfolgenden (freien) flüssigen Oberfläche des Phaseninterface (Flüssig-Eis) und der (freien) Eisfläche basiert auf einer modifizierten Volume-of-Fluid Methode, die dank einer besseren Modellierung des Geschwindigkeitsfeldes im Prozess der Konvektion des flüssigen Volumenbruches eine höhere Auflösung der Grenzfläche ermöglicht. Dabei wird besondere Aufmerksamkeit auf die Definition des Kontaktwinkels zwischen der flüssigen Phase und der festen Wand sowie der flüssigen Phase und der Front der vereisenden Phase (mit deren sich im Laufe der Zeit ändernden Flächenform) gewidmet.

Die zu betrachtenden Strömungsfälle umfassen den senkrechten und schrägen Aufprall der Einzeltropfen unterschiedlicher Größe und Temperatur. Die Tropfen- sowie Umgebungsparameter werden so ausgewählt, damit beide charakteristische Formen der Eisbildung entstehen: rime ice (sofortige Erstarrung des Tropfens nach dem Aufprall) und glaze ice (allmähliche, teilweise Vereisung des Tropfens).

Team

Prof. Dr.-Ing. habil. Cameron Tropea

Prof. Dr.-Ing. habil. Cameron Tropea

Vorstand | Leiter Projektbereich C | TP-Leiter C3/C4 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 6151 16-22175
Apl. Prof. Dr.-Ing. habil. Suad Jakirlic

Apl. Prof. Dr.-Ing. habil. Suad Jakirlic

C3 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 6151 16-22171

Mark Gloerfeld, M.Sc.

C3 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 6151 16-22195
5859197

Publikationen

2017

M. Schremb, I. V. Roisman, C. Tropea:
Transient effects in ice nucleation of a water drop impacting onto a cold substrate;
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M. Schremb, S. Borchert, E. Berberovic, S. Jakirlic, I. V. Roisman, C. Tropea :
Computational modelling of flow and conjugate heat transfer of a drop impacting onto a cold wall;
International Journal of Heat and Mass Transfer, (2017). http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.02.073

Y. Ouedraogo, E. Gjonaj, T. Weiland, H. De Gersem, C. Steinhausen, G. Lamanna, B. Weigand, A. Preusche, A. Dreizler and M. Schremb :
Electrohydrodynamic simulation of electrically controlled droplet generation;
International Journal of Heat and Fluid Flow; (2017). http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2017.02.007

M. Schremb:
Numerische Untersuchung des Eisschichtenwachstums auf warmen Oberflächen;
Luft- und Raumfahrt, Member magazine of the Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt; (2017).

M. Schremb, J. M. Campbell, H. K. Christenson and C. Tropea :
Ice Layer Spreading along a Solid Substrate during the Freezing of Supercooled Water:
Experiments and Modeling; (2017) (In preparation, submitted to Langmuir)

Yarin, A.L, Roisman, I.V., Tropea, C.:
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Cambridge University Press, Cambridge, UK, ISBN-13: 978-1107147904, 2017

M. Schremb and C. Tropea;
Experimental Investigation of SupercooledWater Drops Impacting onto a Smooth Ice Surface: Interaction of Fluid Flow and Phase Change;
ExHFT 2017 - 9th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics; Foz do Iguacu, Brazil; (Jun. 2017) (Abstract accepted)

J. M. Löwe, M. Schremb, I. V. Roisman, V. Hinrichsen and C. Tropea:
Experimental Investigation of Electro-Freezing of Supercooled Water Droplets;
ExHFT 2017 - 9th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics; Foz do Iguacu, Brazil; (Jun. 2017) (Abstract accepted)

2016

S. Borchert:
Numerical Investigation of the Impact of Supercooled Drops on Cold Surfaces;
Bachelorarbeit, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt (2016)

K. Kröll:
Experimental Investigation of the Impact of Supercooled Liquid Drops on Cold Surfaces;
Masterarbeit, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt (2016)

M. Schremb and C. Tropea:
Solidification of Supercooled Water in the Vicinity of a Solid Wall;
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M. Schremb:
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DLRK 2016 – Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress; Braunschweig, Germany; (Sep. 2016).

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Schremb, M., Roisman, I.V., Jakirlic, S. and Tropea, C. (2016):
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2015

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Schremb, M., Roisman, I.V. and Tropea, C. (2015):
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SAE Technical Paper 2015-01-2115,
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3D computation of an incipient motion of a sessile drop on a rigid surface with contact angle hysteresis;
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Towards modeling of initial and final stages of supercooled water freezing;
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Tropea, C., Bonaccurso, E., Criscione, A., Hauk, T., Jakirlic, S., Kintea, D., Hai Li, Roisman, I.V. and Schremb, M.:
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8th Int. Symp. on Turbulence, Heat and Mass Transfer (THMT’15), Sarajevo, Bosnia and Herzegovina, September 15-18 (keynote lecture)(2015)

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2014

Criscione, Antonio
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FG SLA, Technische Universität Darmstadt. Shaker Verlag: ISBN=978-3-8440-3104-1 (2014)

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Kintea, D. M., Schremb, M., Roisman, I. V. and Tropea, C.:
Numerical computation of ice crystal accretion on warm aircraft components at high altitudes;
Proceedings of the ILASS 2014 conference, Bremen, September 8-10 (2014)

2013

Li, Hai
Drop Impact on Dry Surfaces with Phase Change
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Criscione, A., Kintea, D., Tukovic, Z., Jakirlic, S., Roisman, I.V. and Tropea, C.:
Crystallization of supercooled water: a level-set-based modeling of the dendrite tip velocity.
Int. Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 66, pp. 830-837, (2013)
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P. Rauschenberger, A. Criscione, K. Eisenschmidt, D. Kintea, S. Jakirlic, Z. Tukovic, I.V. Roisman, B. Weigand, C. Tropea
Comparative assessment of Volume-of-Fluid and Level-Set methods by relevance to dendritic ice growth in supercooled water
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Criscione, A., Kintea, D., Tukovic, Z., Jakirlic, S., Roisman, I. V., Tropea, C.
Computation of dendritic solidification in supercooled water
Int. Conf. on Multiphase Flow (ICMF), Jeju, South Korea, Mai, 2013

Criscione, A., Kintea, D., Roisman, I.V., Jakirlić, S. and Tropea, C.:
A new approach for water crystallization in the kinetics-limited growth region;
8th International Conference on Multiphase Flow - ICMF 2013, Jeju, Korea, May 26 – 31

Mandal, D.K., Criscione, C. and Amirfazli, A.:
Water Drop Shedding under Icing Conditions from Surfaces with Different Wettabilities;
66th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics, November 24-26, Pittsburgh, PA, USA,
Bulletin of the American Physical Society, Vol. 58, No. 18, p. 429 (2013)

Bartella, O.:
Splash Phänomen beim Tropfenaufprall auf trockene Oberflächen: Auswertungen von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen.
Bachelorarbeit, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt (2013)

2012

Criscione, A. ; Kintea, D. ; Tuković, Ẑ ; Jakirlić, S.; Roisman, I.V. ; Tropea, C.
On Computational Investigation of the Supercooled Stefan Problem.
12th International Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Heidelberg, Germany, 2012

Criscione, A. ; Tuković, Ẑ ; Kintea, D. ; Roisman, I.V. ; Jakirlić, S. ; Tropea, C.
Numerical Model of Supercooled Water Freezing.
7th International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer, Palermo, Italy, 2012

Criscione, A. ; Röhrig, R ; Roisman, I.V. ; Jakirlic, S. ; Tropea, C.
Impacting droplets: dynamic contact angle modelling in OpenFOAM®.
7th OpenFOAM® Workshop, Darmstadt, 2012

Criscione, A. ; Chang, C. ; Roisman, I.V ; Tropea, C. ; Jakirlic, S. ; Amirfazli, A.
Ink Transfer between Two Surfaces - Revision of the Continuous Surface Force Method due to Wall Interaction.
Symposium on Numerics for Interfacial Multiphysics with OpenFOAM, 2012

Criscione, A. ; Chang, C. ; Roisman, I.V ; Tropea, C. ; Jakirlic, S. ; Amirfazli, A.
Numerical studies for drop transfer between two plates.
5th International workshop on Bubble and Drop Interfaces 2012, Krakòw, Poland, 2012

Criscione, A., Kintea, D., Roisman, I. V., Jakirlic ́, S., Tukovic, Z., Tropea, C.
Computation of dendritic crystal growth in supercooled water using a level-set method
American Physical Society, 65th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics, San Diego, USA, November, 2012,
Bulletin of the American Physical Society, Vol. 57, No. 17, pp. 248-249

Chang, C., Criscione, A., Jakirlic, S., Tropea, C., Amirfazli, A.:
A New Formulation for Volume-of-Fluid Simulations of Drops on Solid Surfaces: Inclusion of Adhesion Force
American Physical Society 65th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics, San Diego, USA, 2012
Bulletin of the American Physical Society, Vol. 57, No. 17, pp. 193-194

Wagenknecht, E.:
Aufbau eines pneumatischen Tropfengenerators.
Bachelorarbeit, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt (2012)

Alzamil, S.:
Modellierung des nicht wärmediffusiven Bereiches beim Wachstum eines freistehenden Eiskristalls.
Bachelorarbeit, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt (2012)

Bernhardt, V.:
Numerische Untersuchung der Vereisungsvorgänge von unterkühltem Wasser.
Bachelorarbeit, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt (2012)

Kittel, H.:
Numerische Implementierung des einphasigen Stefan-Problems als bewegte Randbedingung mithilfe einer adaptiven Gitterverfeinerungsmethode. Bachelorarbeit, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt (2012)

von der Grün, M.:
Numerische Untersuchung des Ausbreitungsverhaltens eines ruhenden Wassertropfens zwischen der Auflagefläche und einer sich senkrecht bewegenden Parallelfläche.
Bachelorarbeit, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt (2012)

Kintea, D.:
Modellierung des Stefan-Problems für unterkühlte Flüssigkeiten mithilfe einer optimierten Level-Set Methode.
Masterarbeit, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt (2012)

2011

Criscione, A.; Röhrig, R.; Opfer, L.; Roisman, I.; Jakirlic, S.; Tropea, C.
Numerical investigation of impacting water drops in air cross-flow.
24. European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, ILASS, Estoril, Portugal, 2011

Li, H.; Roisman, I. V.; Tropea, C.
Water Drop Impact on Cold Surfaces with Solidification.
Proceeding of the Sixth International Conference on Fluid Mechanics, Guangzhou, China, 2011

Röhrig, R.:
Numerische Untersuchung eines Wassertropfenaufpralls unter dem Einfluss einer Seitenströmung.
Bachelorarbeit, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt (2011)

Eichhorn, H.:
Image Post-Processing of the Impact of Super-Cooled Drops.
Bachelorarbeit, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt (2011)

Heinbücher, K.:
Hochgeschwindigkeitsauf-nahme des Aufpralls unterkühlter Tropfen.
Bachelorarbeit, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt (2011)

Montag, März 25, 2019