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Aerodynamically driven wall-bounded drop motion and rivulet formation

Seiler, Patrick M. (2019)
Aerodynamically driven wall-bounded drop motion and rivulet formation.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Aerodynamically driven wall-bounded drop motion and rivulet formation are two specific cases of gas-liquid flows involving surfaces. These multiphase flows are relevant in many fields, e.g. process engineering, printing, ice accretion, car soiling and exterior water management on vehicles. As the basic physics of these flow phenomena are not entirely understood, further experimental and numerical research is desirable. The present study approaches the topic using generic experiments performed in a wind tunnel. The wind tunnel provides a fully turbulent, two-dimensional channel flow with optical access throughout the test section.

In the first set of experiments single water drops with varying volumes on four different substrates are exposed to the flow in the test section. For a constant gas flow velocity a constant drop motion is observed. The motion is mainly governed by the pressure (drag) induced by the gas flow, by surface tension and the capillary forces associated with the substrate contact angle hysteresis. An appropriate scaling has been found to describe the dimensionless drop velocity (capillary number) in terms of a dimensionless flow attack velocity, taking into account the surface wetting properties. The model allows for the prediction of capillary numbers from the attack velocity and it agrees very well with the experimental observations.

A detailed analysis of slow, constantly in a stick-slip manner, moving drops is used to investigate the critical contact angle for moving contact lines.

The second set of experiments investigates the interaction between drops and grooves of variable width. A model predicting whether a drop is absorbed by the groove or passes over the groove is presented.

The final experiments investigate rivulet formation. Through bore holes in the previously used substrates a constant liquid volume flow is injected. For each substrate different behavioral regimes of the resulting rivulets are mapped and described.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2019
Autor(en): Seiler, Patrick M.
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Aerodynamically driven wall-bounded drop motion and rivulet formation
Sprache: Englisch
Referenten: Tropea, Prof. Cameron ; Butt, Prof. Hans-Jürgen ; Roisman, Apl. Prof. Ilia
Publikationsjahr: Juli 2019
Ort: Darmstadt
Datum der mündlichen Prüfung: 3 Juli 2019
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8268
Kurzbeschreibung (Abstract):

Aerodynamically driven wall-bounded drop motion and rivulet formation are two specific cases of gas-liquid flows involving surfaces. These multiphase flows are relevant in many fields, e.g. process engineering, printing, ice accretion, car soiling and exterior water management on vehicles. As the basic physics of these flow phenomena are not entirely understood, further experimental and numerical research is desirable. The present study approaches the topic using generic experiments performed in a wind tunnel. The wind tunnel provides a fully turbulent, two-dimensional channel flow with optical access throughout the test section.

In the first set of experiments single water drops with varying volumes on four different substrates are exposed to the flow in the test section. For a constant gas flow velocity a constant drop motion is observed. The motion is mainly governed by the pressure (drag) induced by the gas flow, by surface tension and the capillary forces associated with the substrate contact angle hysteresis. An appropriate scaling has been found to describe the dimensionless drop velocity (capillary number) in terms of a dimensionless flow attack velocity, taking into account the surface wetting properties. The model allows for the prediction of capillary numbers from the attack velocity and it agrees very well with the experimental observations.

A detailed analysis of slow, constantly in a stick-slip manner, moving drops is used to investigate the critical contact angle for moving contact lines.

The second set of experiments investigates the interaction between drops and grooves of variable width. A model predicting whether a drop is absorbed by the groove or passes over the groove is presented.

The final experiments investigate rivulet formation. Through bore holes in the previously used substrates a constant liquid volume flow is injected. For each substrate different behavioral regimes of the resulting rivulets are mapped and described.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Durch aerodynamische Kräfte angetriebene, wandgebundene Tropfenbewegung und Rinnsalbildung sind zwei spezifische Arten von Gas-Flüssigkeits- strömungen, bei denen feste Oberflächen involviert sind. Sie spielen in vielen Bereichen eine Rolle, z.B. in der Verfahrenstechnik, im Druckwesen, der Vereisung, der Verschmutzung oder dem Wassermanagement von Fahrzeugoberflächen. Da die zugrundeliegende Physik dieser Strömungen nicht vollständig verstanden ist, bedarf es weiterer experimenteller und numerischer Forschung. Die vorliegende Studie nähert sich dieser Thematik unter Zuhilfenahme eines Windkanals mit einer vollausgeprägten, turbulenten Kanalströmung, dessen Messtrecke optisch zugänglich ist, an.

Zuerst werden einzelne Wassertropfen mit verschiedenen Volumina auf vier verschiedenen Oberflächen untersucht. Bei einer konstanten Gasströmungs- und Tropfengeschwindigkeit unterliegt die Bewegung hauptsächlich dem Strömungswiederstand des Tropfens, der Oberflächenspannung und den Kapillarkräften an der Oberfläche, welche in Form der Kontaktwinkelhysterese in Erscheinung treten. Für dieses System wird mit der dimensionslosen Angriffsgeschwindigkeit und der Kapillarzahl eine geeignete Normierung eingeführt. Aufbauend auf diesen beiden Größen wird ein Modell eingeführt, mit dem sich die Tropfengeschwindigkeit vorhersagen lässt. Eine weiterführende Untersuchung von intermittierend haftenden Tropfen betrachtet den kritischen Kontaktwinkel, bei denen die Kontaktlinienbewegung einsetzt.

Aufbauend auf der Geschwindigkeitsmodellierung wird die Interaktion zwischen Tropfen und einem Einzelspalt variabler Weite untersucht. Passende Normierungen und Nomogramme für die Absorption oder das Überspringen des Spaltes werden vorgestellt.

Abschließend wird die Rinnsalbildung auf verschiedenen Oberflächen und Gas- sowie Flüssigkeitsvolumenströmen untersucht. Die Verhaltensmuster der Rinnsale werden dargelegt, in Regimekarten zusammengetragen und verglichen.

Deutsch
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-82684
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik (SLA)
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik (SLA) > Tropfendynamik und Sprays
Hinterlegungsdatum: 11 Aug 2019 19:55
Letzte Änderung: 11 Aug 2019 19:55
PPN:
Referenten: Tropea, Prof. Cameron ; Butt, Prof. Hans-Jürgen ; Roisman, Apl. Prof. Ilia
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 3 Juli 2019
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