Experimentelle und numerische Untersuchung der binären Tropfen-Film-Interaktion

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Grazia Lamanna; Professor Dr.-Ing. Bernhard Weigand
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 284229203

Der Aufprall einzelner Tropfen auf einen Wandfilm bestehend aus einer zweiten Flüssigkeit (Zweikomponenten-Tropfen-Film-Interaktion) spielt eine entscheidende Rolle in vielen technischen Anwendungen. Beispielsweise bei der Nacheinspritzung von Kraftstoff im Dieselmotor, welche zur Regeneration des Partikelfilters eingesetzt wird. Hierbei trifft der eingespritzte Kraftstoff direkt auf den Schmierölfilm an der Zylinderwand. Die dabei stattfindenden Interaktionen zwischen Tropfen und Wandfilm haben einen großen Einfluss auf die Abgasemissionen. Um die der Zweikomponenten-Tropfen-Film-Interaktion zugrunde liegenden physikalischen Prozesse zu verstehen und zu modellieren, müssen sowohl die Einflüsse der Stoffeigenschaften auf die Tropfen-Film-Interaktion, als auch die Mischungsvorgänge während des Aufprallvorgangs verstanden werden. Trotz der in der ersten Förderperiode erzielten Fortschritte im Verständnis der Zweikomponenten-Tropfen-Wandfilm-Interaktion, bleiben viele fundamentale Fragen hinsichtlich der Verallgemeinerung der Ergebnisse auf andere Flüssigkeiten und realistische Brennraumbedingungen unbeantwortet. Beide Aspekte sollen im vorliegenden Fortsetzungsantrag untersucht werden. Dieser beinhaltet sowohl experimentelle, als auch numerische Arbeiten.Die experimentellen Arbeiten umfassen die Durchführung umfangreicher Versuchsreihen zur Bestimmung des Einflusses der Stoffeigenschaften auf die Topologie der Krone (Form, Höhe, Anzahl der Finger etc.) und die Eigenschaften der Sekundärtropfen (Anzahl, Größe, Geschwindigkeit), die bei Aufprall gebildet werden. Zu diesem Zweck wird systematisch die Viskosität und die Oberflächenspannung der Flüssigkeiten variiert. Aus den gewonnenen Erkenntnissen und unterstützt durch theoretische Modellierungsansätze, soll ein verallgemeinertes, korrelationsbasiertes Model abgeleitet werden, das in der Lage ist die Zweikomponenten-Tropfen-Film-Interaktion zu beschreiben. Im Rahmen der numerischen Arbeiten wird der Vermischungsprozess während des Tropfenaufpralls untersucht werden. Das Verständnis dieser Vorgänge dient dazu den der Bildung von Löchern in der Kronenwand zugrunde liegenden Mechanismus zu identifizieren. Die Bildung von Löchern ist eine Besonderheit der Zweikomponenten-Interaktion.Im Hinblick auf die Annäherung an realistische Brennraumbedingungen sollen zwei Aspekte betrachtet werden. Zum einen die heißen Brennraumwände und zum anderen das nicht-newtonsche Verhalten der Motoröle. Ersteres wird durch Experimente mit einem beheizbaren Wandfilm untersucht werden. Die temperaturbedingte Variation der Stoffeigenschaften soll charakterisiert und mit den Ergebnissen der vorgegangenen Untersuchungen verglichen werden. Der Einfluss der nicht-newtonschen Stoffeigenschaften auf die Zweikomponenten-Tropfen-Film-Interaktion wird numerisch untersucht werden. Die in beiden Fällen gewonnenen Erkenntnisse fließen in das verallgemeinerte, korrelationsbasierte Model mit ein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen