Focke, Christian (2013):
Direkte Numerische Simulation binärer Kollisionen newtonscher und nichtnewtonscher Tropfen.
Darmstadt, TU Darmstadt, [Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/3668],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Binäre Tropfenkollisionen werden als ein Elementarprozess in Sprays betrachtet. Sie beeinflussen die resultierende Tropfengrößenverteilung maßgeblich. Um eine verbesserte Vorhersage des Ausgangs von Tropfenkollisionen zu ermöglichen, ist ein Verständnis des Einflusses der Flüssigkeitsrheologie auf die Kollisionsdynamik wie auch auf die Strömung im Inneren der kollidierenden Tropfen erforderlich. Daher werden Direkte Numerische Simulationen (DNS) mit dem Inhouse-Code Free Surface 3D (FS3D) durchgeführt, einer erweiterten Volume-of-Fluid (VOF) Methode. Kollisionen von nicht-isoviskosen, scherverdünnenden und viskoelastischen Tropfen werden untersucht.

Ein zentrales Ziel der Forschung ist die Herleitung von mechanistischen Modellen für den Ausgang von Kollisionen, die für skalenreduzierte numerische Berechnungen wie Euler-Euler- oder Euler-Lagrange-Simulationen verwendet werden können. Die getrennte Betrachtung von Lamellengeometrie und Lamellendickenevolution erlaubt die Vorhersage der Kollisionsdynamik zentraler Kollisionen viskoser Tropfen im sprayrelevanten Bereich moderater Reynolds- und Weberzahlen.

Bei Tropfenkollisionen entstehen extrem dünne Flüssigkeitslamellen, vor allem im Fall einer hohen Aufprallgeschwindigkeit. Diese müssen im numerischen Lösungsverfahren in physikalisch sinnvoller Weise berücksichtigt werden. Dazu wird ein Stabilisierungs-Algorithmus entwickelt, der die Lamelle vor dem auflösungsbedingten Zerfall bewahrt, ohne die Bewegungen und die Deformationen der Fluidlamelle einzuschränken.

Verschiedene Trocknungshistorien führen bei Gemischtropfen zu einer unterschiedlichen Zusammensetzung. Die Kollision von Tropfen mit ungleicher Viskosität erfordert eine Erweiterung des VOF-Verfahrens durch Lösen einer zusätzlichen Transportgleichung, um die Verteilung des Polymermassenanteils innerhalb des Stoßkomplexes zu erhalten. Um die in den Experimenten beobachtete Koaleszenzverzögerung zu erfassen, wird die Topologieänderung numerisch verzögert. Die Ergebnisse geben einen Einblick in Eindring- und Verkapselungsprozesse.

DNS von Kollisionen scherverdünnender Tropfen zeigen, dass nahezu die gesamte viskose Dissipation während der Anfangsphase der Kollision auftritt. Daher kann eine effektive konstante Viskosität gefunden werden, die sowohl in zentralen als auch in dezentralen Kollisionen zu derselben Kollisionsdynamik führt.

Um viskoelastische Zweiphasenströmungen zu simulieren, wurde die VOF-Methode für Oldroyd-B Fluide erweitert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Dehnung der Polymermoleküle im Ligament dem Zerfall der Tropfen bei einer dezentralen Kollision entgegen wirkt.

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