Experimental and computational investigation of droplet impingement at high Weber numbers on dry and wetted surfaces
Final Report Abstract
Dieses Forschungsprojekt untersuchte den Hochgeschwindigkeitsaufprall von Flüssigkeitstropfen auf trockene glatte Oberflächen und dünne Flüssigkeitsfilme unter Variation des umgebenden Gasmediums mit experimentellen und numerischen Methoden. Im Ergebnis der Untersuchungen sind sehr umfangreiche Datensätze entstanden, die sowohl die einhergehenden physikalischen Phänomene näher beleuchten, als auch zahlreiche quantitative Informationen zum Sekundärtropfenkollektiv bereitstellen. Die Versuchsergebnisse zum Tropfenaufprall auf trockenen Oberflächen deuten darauf hin, dass lediglich vier Splashing-Szenarien möglich sind, nämlich: Corona-Detachment, Corona-Splashing, Jet-Splashing und Prompt-Splashing. Es konnte nachgewiesen werden, dass der Mechanismus des Gaseinschlusses in der frühen Phase des Aufpralls nicht für das Splashing der Tropfen verantwortlich ist. Es wurde daher ein theoretisches Splashing-Modell entwickelt, das auf der Rayleigh-Taylor- Instabilität und der Auftriebskraft der sich bewegenden Flüssigkeitslamelle basiert. Die Ergebnisse der Untersuchungen zum Tropfenaufprall auf benetzten Oberflächen deuten darauf hin, dass immer eine dünne und von vielen Störungen durchsetzte Korona erzeugt wird, die sich während des gesamten Splashing-vorgangs verformt. Im Gegensatz zum Splashing auf trockenen Oberflächen kann das Aufbrechen der Korona auf mindestens drei verschiedene Instabilitäten zurückgeführt werden: Rand-, Rayleigh-Taylor- und Rayleigh-Plateau-Instabilitäten. Neue Zerfallsmechanismen wurden entdeckt, die unter bestimmten Bedingungen zur vollständigen Desintegration der Krone führen. Obwohl dieses Forschungsprojekt viele neue Erkenntnisse zu den Mechanismen des Splashings bei hohen Aufprallgeschwindigkeiten geliefert hat, gibt es eine Reihe weiterer Arbeitshypothesen, die in zukünftigen Studien erforscht werden können. So sind Untersuchungen des Einflusses der Oberflächeneigenschaften (Rauheit, Benetzungseigenschaften, etc.), sowie einhergehende Phasenübergänge beim Tropfenaufprall für viele technische Produkte und Anwendungen relevant und verdienen daher eine nähere Betrachtung. Weiterhin sollen in der Zukunft direkte numerische Simulation verstärkt durchgeführt werden, um den Ursprung der Instabilitätsmechanismen in der Kronenbildung weiter aufzuklären.
Publications
- (2018). Droplet splashing on thin moving films at high Weber numbers. International Journal of Multiphase Flow, 101, 202-211
Burzynski, D. A., & Bansmer, S. E.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2018.01.015) - (2018). High speed visualization of droplets impacting with a dry surface at high weber numbers. In New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XI (pp. 511-521). Springer, Cham
Burzynski, D. A., & Bansmer, S. E.
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-319-64519-3_46) - (2019). Experimental and numerical study of the effect of surrounding gas on splashing at high Weber and Reynolds numbers. Bulletin of the American Physical Society. November 2019, Seattle, USA
Burzynski, D. A., & Bansmer, S. E.
- (2019). Role of surrounding gas in the outcome of droplet splashing. Physical Review Fluids, 4(7), 073601
Burzynski, D. A. & Bansmer, S. E.
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.4.073601) - (2019). The Effect of Impact Angle on the Secondary Droplets at High Impact Velocity. In ILASS–Europe, 29th Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, 2-4 September, Paris, France.
Burzynski, D. A. & Bansmer, S. E.
(See online at https://doi.org/10.24355/dbbs.084-201909121447-0) - (2020). Aircraft icing - A challenging problem of fluid mechanics. Cuvillier Verlag Göttingen
Bansmer, S. E.
- (2020). On the splashing of high-speed drops impacting a dry surface. Journal of Fluid Mechanics, 892.
Burzynski, D. A., Roisman, I. V., & Bansmer, S. E.
(See online at https://doi.org/10.1017/jfm.2020.168)
