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Projekt
Hochgenaue numerische Simulation von Benetzung und Entnetzung auf flexiblen Substraten einschließlich Wärmeübertragung
Antragsteller
Dr.-Ing. Florian Kummer
Fachliche Zuordnung
Strömungsmechanik
Förderung
Förderung seit 2019
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422800359
Der Kern dieses Projekts ist Entwicklung numerischer Simulations-Methoden. Die konkrete Physik, die modelliert, respektive simuliert werden soll, ist durch die im Schwerpunkt-Programm 2171 (SPP 2171) geplanten praktischen Experimente motiviert. Im Speziellen sollen Experimente untersucht werden, in denen Benetzung, bzw. Entnetzung von flexiblen Oberflächen stattfindet. Hierfür wurde in der ersten Förderphase eine entsprechende hochgenaue numerische Toolbox für die Simulation von Dreiphasensystemen, bestehend aus einem flexiblen Festkörper sowie einer flüssigen und einer gasförmigen Phase, entwickelt. In der zweiten Förderphase des Programms sollen diese Simulationstechniken weiter verbessert und erweitert werden, um ein breiteres Spektrum an Experimenten abzudecken. Insbesondere sollen nun Verdampfungseffekte berücksichtigt werden.Die Simulation ist hier eine wichtige Ergänzung zu den Experimenten im SPP 2171, da sie gewissermaßen als Lupe fungieren kann: sie liefert Einblicke, die das Experiment nicht bieten kann. Durch Simulationen wird es beispielsweise möglich, Größen welche im Experiment aufgrund technischer Limits nur schwierig oder gar nicht gemessen werden können zu bestimmen.Geplant ist die komplementäre Simulation von Experimente von ansteigender Komplexität. Am Anfang stehen Konfigurationen mit einfachen Tropfen und Flüssigkeitsbrücken. Im weiteren Verlauf wird dann das Aufprallverhalten von Tropfen auf flexiblen Substraten untersucht. Dabei soll auch Verdampfung, durch Beheizung des Substrats, berücksichtigt werden. Als anspruchsvollste, das Projekt abschließende Simulation ist eine Leidenfrost-Konfiguration, d.h. ein verdampfender Tropfen welcher, durch seine eigene Dampfschicht getragen, über einem beheizten Substrat schwebt. Das Simulationsverfahren basiert dabei auf einer von den Antragstellen entwickelten numerischen Methode für Zweiphasenströmungen. Dies sind Gemengen zweier nicht-mischbarer Fluide, im vorliegenden Fall eben die Druckfarbe sowie die Umgebungsluft. Dieses Setup wird nun um eine dritte Phase, d.h. einen flexiblen Festkörper ergänzt. Treffen Luft, Flüssigkeit sowie Festkörper aufeinander, so spricht man von einer Dreiphasen-Kontaktlinie. Die numerisch-mathematische Grundlage zu diesem Projekt ist ein sogenanntes erweitertes diskontinuierliches Galerkin Verfahren, welches speziell entwickelt wurde um Dreiphasenströmungen mit Kontaktlinien hochgenau zu simulieren. Dabei können insbesondere die Grenzflächen zwischen Luft und Flüssigkeit, sowie die Dreiphasen-Kontaktlinie hochgenau verfolgt werden. Für die gegebenen Problemstellungen muss das Verfahren mit einer Simulationsmethode für Festkörper kombiniert werden. Des Weiteren muss die Wärmeübertragung sowie die Verdampfung modelliert werden.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
