Der Aufprall von Tropfen auf feste Substrate, die von einem Flüssigkeitsfilm der gleichen oder einer anderen Flüssigkeit benetzt sind, ist für zahlreiche Naturphänomene und verschiedene industrielle oder technische Anwendungen relevant. Beispiele sind der Tintenstrahldruck, die Sprühkühlung oder landwirtschaftliche Sprays, um nur einige zu nennen. Unter bestimmten Bedingungen führt die Tropfen-Wand-Film-Wechselwirkung zur Bildung von Sekundärtropfen (Splash), die die Prozessparameter von Systemen wie Verbrennungsmotoren oder Abgasnachbehandlungssystemen beeinflussen können. Die hohe Relevanz des Tropfenaufpralls hat umfangreiche Forschungsarbeiten motiviert, die die Hydrodynamik der Tropfen-Wand-Film-Wechselwirkung untersuchen, verschiedene Regime definieren oder das Ergebnis des Tropfenaufpralls charakterisieren. Diese Studien konzentrieren sich weitgehend auf Aufprallbedingungen, bei denen die Flüssigkeiten von Tropfen und Film gleich sind (einkomponentig). In vielen realen Anwendungen sind die Eigenschaften der Flüssigkeiten im Film und im Tropfen allerdings unterschiedlich (zweikomponentig). In diesem Fall führen zusätzliche Einflussparameter, die mit den unterschiedlichen Fluideigenschaften zusammenhängen, zu einer komplexen Tropfen-Wand-Film-Wechselwirkung, die noch nicht vollständig verstanden ist und somit weitere Forschung notwendig macht.

Die vorliegende Arbeit widmet sich der Verbesserung des Verständnisses dieser komplexen Tropfen-Wand-Film-Wechselwirkungen beim Tropfenaufprall unter Berücksichtigung von drei Hauptaspekten. Zunächst liegt der Schwerpunkt auf der Strömungsdynamik in der wandnahen Lamelle, die sich beim Tropfenaufprall bildet. Des Weiteren werden die Splashing-Mechanismen, insbesondere das Phänomen der Koronaablösung und die damit verbundenen Aufrissmechanismen, untersucht. Schließlich wird eine Methode zur Charakterisierung von Sekundärtropfen entwickelt.

Der Aufprall eines Tropfens auf ein benetztes Substrat erzeugt eine sich radial ausbreitende Lamellenströmung, die an die Wand angrenzt. Nach dem Aufprall bremst eine wachsende viskose Grenzschicht die Lamellenströmung zunehmend ab, bis sie schließlich vollständig zum Stillstand kommt, während die Dicke der Lamelle einen asymptotischen Wert erreicht. Es wird ein theoretisches Modell entwickelt, das die Dynamik dieser Lamellenströmung unter Berücksichtigung der viskosen Grenzschicht sowohl im Tropfen als auch in der Wand-Film-Flüssigkeit beschreibt. Experimente, bei denen die zeitliche Entwicklung der Lamellendicke für einen großen Bereich von Aufprallparametern unter Variation der Weber- und Reynoldszahl sowie des Verhältnisses von Film- zu Tropfenviskosität gemessen wird, liefern physikalische Belege für die theoretische Beschreibung.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt darin das Verständnis des Mechanismus der Koronaablösung zu verbessern, bei der sich die Krone vollständig und fast augenblicklich vom Wandfilm ablöst. Ein Hochgeschwindigkeitskamerasystem wird eingesetzt, um den Tropfenaufprall unter Bedingungen zu beobachten und zu charakterisieren, die zur Koronaablösung führen. Darüber hinaus werden spezielle Experimente durchgeführt, bei denen die Taylor-Culick-Relation genutzt wird, um Informationen über die Kronendicke zu gewinnen, indem die Ausbreitungsgeschwindigkeit von künstlich erzeugten Rissen im Kronenblech ausgewertet wird. Es wird eine Hypothese formuliert, die die Ablösung auf kleine Löcher zurückführt, die durch Störungen ausgelöst werden, die in einer frühen Phase des Aufpralls entstehen. Diese Löcher breiten sich aus, verbinden sich und unterschneiden so die Krone, was zu deren Ablösung führt. Auf der Grundlage dieser Hypothese werden die spezifische Lochbildungsrate und die Lochausbreitungsgeschwindigkeit modelliert, um den Zeitpunkt der Ablösung vorherzusagen. Die theoretische Skalierung der Ablösungszeit stimmt gut mit den Experimenten überein.

Schließlich wird ein Verfahren zur Bestimmung des Volumenanteils von Zweikomponententropfen mit nicht mischbaren Flüssigkeiten entwickelt, in dem Bilder eines Tropfens aus zwei senkrechten Perspektiven ausgewertet werden. Diese Technik wird durch einen Algorithmus für maschinelles Lernen unterstützt, der anhand synthetisch erzeugter Bilder trainiert wird. Der Ansatz wird durch die Auswertung von Bildern einzelner Zweikomponententropfen mit bekannten Volumenanteilen validiert, die in einem akustischen Levitator platziert werden. Die Anwendung dieser Technik wird durch die Messung des Volumenanteils von Sekundärtropfen demonstriert, die aus einem Zweikomponentensplash hervorgehen.