Experimentelle, numerische und analytische Untersuchung zur Tropfen-Oszillation eines visko-elastischen Fluids

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Oberlack
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 330615302

Tropfenoszillationen treten bei vielen Produktions- und Energieumwandlungsprozessen auf und Gegenstand wissenschaftlichen Interesses. Die Abweichung von der Kugelform führt zu einer Oberflächenvergrößerung und zu einer Zunahme an Massen-, Impuls- und Energietransport. Flüssigkeiten im Bio- und Chemieingenieurwesen, insbesondere Polymerlösungen in der Sprühtrocknung und belüftete biologische Flüssigkeiten, enthalten Proteine und Bakterien, die zu viskoelastischem Flüssigkeitsverhalten führen. Im vorliegenden Projekt soll ein tiefes Verständnis für die Bewegung von viskoelastischen Fluiden mit oszillierenden Oberflächen generiert werden und, langfristig, die daraus resultierenden Oberflächentransportprozesse beschrieben werden. Hierfür sollen moderne experimentelle, numerische und analytische Methoden eingesetzt werden. Insbesondere soll starke Deformation berücksichtigt werden, die wesentliches nicht-lineares Verhalten erzeugt.Zu diesem Zweck sollen neue numerische Methoden basierend auf Discontinuous Galerkin (DG) entwickelt werden, die hp-genaue Simulationen erlauben. Anders als in klassischen Ansätzen soll eine Sub-Zell- und hp-genaue Simulation mit scharfem Interface durchgeführt werden. Eine Vielzahl von speziellen Methoden sind hierfür schon entwickelt worden. Die Schwierigkeiten von DG bei der Simulation von viskoelastischen Modellen sind deutlich geringer als z.B. bei FVM. Zusätzlich werden Tensorpolynom Basis Ansätze verwendet, die sich bei algebraischen Turbulenzmodellen sehr bewährt haben. Dort haben diese Ansätze zu sehr schnellen und robusten Schemata geführt, die, durch die Ähnlichkeit der Modelle, auch hier verwendet werden sollen.Schließlich soll ein schwach nichtlinearer analytischer Ansatz entwickelt werden, der die Zeitabhängigkeit der Oszillationsfrequenz darzustellen erlaubt. Nichtlinearität ist essentiell, da die Oszillationsfrequenz mit steigender Amplitude abnimmt. Auch sind die Zeiten im abgeflachten und gestreckten Zustand nicht mehr identisch. Die Kopplung der Oszillationsmoden bei nichtlinearer Bewegung ist zentral für das Abklingverhalten der Oszillationen. Dieses Ergebnis wird ein zentraler Testfall für das DG-Schema sein.Die analytischen und numerischen Ergebnisse werden mit dem Experiment verglichen. Zu diesem Zweck liefert das Experiment sowohl materielle Parameter als auch dynamische Ergebnisse über die Oszillationsfrequenz, Tropfenform etc. Im linearen Grenzfall werden die gedämpften Tropfenschwingungen selbst zur Messung der polymeren Deformations-Retardationszeit der Flüssigkeit eingesetzt, die für die Simulationen gebraucht wird.Der vorliegende Antrag ist der erste Teil eines zweiteiligen Antrags, wobei im zweiten Schritt insbesondere Masse- und Energietransport über die Tropfenoberfläche untersucht werden soll. Dies korrespondiert zu einer nicht-materiellen Oberfläche, mit neuen numerischen und experimentellen Herausforderungen, die aber in der Anwendung zentrale Parameter darstellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich, USA
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Günter Brenn; Professor Dr. Tim Warburton