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Numerische Simulation des Tropfenaufpralls

Numerische Untersuchung des Tropfenaufpralls bei hohen Weberzahlen auf trockene und benetzteWände

S. Bansmer, D. Burzynski, Institut für Strömungs-mechanik, Technische Universität Braunschweig

Kurzgefasst

• Numerische Simulationen von Tropfenaufprall-vorgängen und Untersuchung der resultierendenPhänomene wie beispielsweise Lamellen- und Se-kundärtropfenbildung

• Erarbeitung eines besseren Verständnisses derPhysik des Tropfenaufpralls

• Vergleich der numerischen Simulationen mit expe-rimentell gewonnenen Daten

Der Tropfenaufprall bei hohen Weberzahlen hatweitreichende technische Bedeutung. So spielt erzum Beispiel bei der Vereisung von Flugzeugstruk-turen, der Sprühkühlung thermisch stark belasteterBauteile und der Fahrzeugverschmutzung eineentscheidende Rolle [1]. Kennzeichnend für solcheAufprallphänomene ist die Bildung einer dünnenFlüssigkeitslamelle, die sich vom Aufprallpunktradial ausbreitet und am oberen, freien Rand durchInstabilitäten zur Entstehung von Sekundärtropfenführt [2]. Um diesen Prozess besser vorhersagenund analysieren zu können, ist ein tiefergehendesVerständnis der dem Tropfenaufprall zugrundeliegenden Physik nötig. Daher werden im Rahmendes DFG-Projektes Experimentelle Untersuchungdes Tropfenaufpralls bei hohen Weberzahlen auftrockene und benetzte Wände die auftretendenPhänomene qualitativ und quantitativ untersucht.Dabei steht ein Schwungradversuch (siehe Abb.3)zur Verfügung, der die Untersuchung hoher We-berzahlen ermöglicht. Besonderheit ist, dass dierotierende Aufprallfläche mit einem Wasserfilmbenetzt werden kann [3]. Die Lamelle breitet sichdann asymmetrisch aus, siehe auch Abbildung 2.

Zur numerischen Simulation wird auf die CFD-Toolbox OpenFOAM zurückgegriffen, welchefür inkompressible Zweiphasenströmungen denStrömungslöser interFoam und interDyMFoam zurVerfügung stellt. Dieser verwendet eine Volume-of-Fluid Methode, um die Phasengrenze abzubilden.Die Software wurde bereits zur Bearbeitung derProblemstellung verwendet [4] und getestet [5]. Dieersten Untersuchungen mit Hilfe einer adaptivenNetzverfeinerung zeigen, dass diese Methode füreine grobe Beschreibung der Kronengeometrie

Abbildung 1: Charakteristische Kronenform beim Tropfenauf-prall: (1) Lamelle, (2) freier Rand der Krone, (3) ausgeworfeneSekundärtropfen [1].

bei hohen Weberzahlen geeignet ist. Der Vorteilder adaptiven Netzverfeinerung ist, dass dieGrenzphase nur lokal verfeinert wird. Mit dernumerischen Untersuchungen am HLRN wird derTropfenaufprall auf verschiedenen Filmdicken und-geschwindigkeiten simuliert und mit experimentellenDatensätzen validiert.Die oben beschriebenen Lamellen, wie sie auchin Abb.1 zu sehen sind, haben im Vergleichzum Durchmesser des aufprallenden Tropfensnur eine sehr geringe Dicke. Zudem skaliert die

Abbildung 2: Vergleich zwischen Experiment und numerischerSimulation. Aufprall auf benetzte Fläche: dimensionslose Zeit 1,dimensionslose Filmhöhe=0,05, We=2281

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Abbildung 3: Schwungradversuch bei benetztem Aufprall. Links: Schematische Darstellung des Wasserkreislaufs. Rechts:Umsetzung der Wasserzu- und -abführung am Schwungrad.

Lamellendicke mit Re−1/2 (Reynoldszahl), was beiingenieurtechnischen Anwendungen dazu führt,dass die Lamellendicke bis zu 100 mal dünner istals der Durchmesser des aufprallenden Tropfens [3].Da aber eine gewisse Mindestzahl an Rechenzellennötig ist, um die Flüssigkeitslamelle aufzulösen,erfordert die Simulation dieser Vorgänge sehr feineRechennetze. Deshalb sind numerische Simula-tionen auf einem Hochleistungsrechenzentrumunabdingbar.

WWW

http://www.tu-braunschweig.de/ism

Weitere Informationen

[1] Yarin, A.L.: Drop Impact Dynamics: Splashing,Spreading, Receding, Bouncing...,AnnualReview of Fluid Mechanics 38, (2006). doi:10.1146/annurev.fluid.38.050304.092144

[2] Yarin, A.L., Weiss, D.A.: Impact of drops onsolid surfaces: self-similar capillary wavesand splashing as a new type of kinematic,discontinuity Journal of Fluid Mechanics 283,(1995). doi:10.1017/S0022112095002266

[3] Faßmann, B.W., Bansmer, S.E., Möller, T.J.,Radespiel, R., Hartmann, M.: High velocity im-pingement of single droplets on a dry smoothsurface, Experiments in Fluids 54, (2013). doi:10.1007/s00348-013-1516-4

[4] Berberovic et.al.: Drop impact onto a liquidlayer of finite thickness: Dynamics of the cavityevolution, Physical Review E 79, (2009). doi:10.1103/PhysRevE.79.036306

[5] Deshpande, S.,Laksman, A., Trujillo,M.: Evaluating the performance of thetwo- phase flow solver interFoam, Com-putational Science and Discovery 5,(2012). doi:http://stacks.iop.org/1749-4699/5/i=1/a=014016

Förderung

DFG-Projekt BA 4953-3

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