Experimentelle und numerische Untersuchung der Tropfenbewegung und Tropfenseparation unter Einfluss von aerodynamischen und mechanischen Kräften

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Uwe Janoske
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398314989

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Projektes wurde das Verhalten haftender Tropfen unter Einwirkung verschiedener Kräfte untersucht. Neben einer eindimensionalen, sowie zweidimensionalen Schwinganregung wurde zusätzlich die Wechselwirkung einer gleichzeitig überlagerten Anströmung erforscht. Unter Einfluss einer eindimensionalen harmonischen Schwinganregung konnten drei Phasenzustände bestimmt werden: statische Oszillation, translatorische Bewegung und Tropfenseparation. Dabei konnten durch zahlreiche Experimente drei Separationsphänomene festgestellt werden, die in Abhängigkeit der Anregungsfrequenz, Beschleunigung und Anregungsrichtung, vertikal bzw. horizontal, auftreten: Rinnsalbildung mit Tropfenseparation (horizontaler Anregung), Halsbildung mit Tropfenseparation und Satellitentropfenbildung (beide bei vertikaler Anregung). Durch die Überlagerung einer eindimensionalen Schwinganregung mit einer Anströmung kann ein deutliches Herabsenken der für die Einleitung einer Tropfenbewegung benötigten kritischen Geschwindigkeit v-krit beobachtet werden. Dabei ist die geringste kritische Geschwindigkeit abhüangig von der Anregungsfrequenz und -richtung. So wird ein Tropfen bei vertikaler Schwinganregung innerhalb seiner zweiten Eigenfrequenz mit der geringsten aerodynamischen Kraft in die Bewegungsphase überführt. Ein horizontal angeregter Tropfen hingegen verzeichnet die geringste kritische Anströmgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Schwingung innerhalb der ersten natürlichen Eigenfrequenz. Eine weitere Steigerung der Anregungsbeschleunigung kann zum weiteren Herabsenken von v-krit führen. Wird ein Tropfen einer zweidimensionalen Oberflächenvibration ausgesetzt, erfolgt eine Bewegung ab einem gewissen Schwellwert. Die Bewegungsrichtung des Tropfens ist dabei frequenz- und phasenabhängig. So erfolgt bei Frequenzen oberhalb der zweiten Eigenfrequenz eine Richtungsumkehr. Wird der zweidimensionalen Oberflächenvibration eine Anströmung überlagert, ist ebenfalls eine deutliche Absenkung von v-krit festzustellen. Hierbei ist zusüatzlich ein Unterschied im Phasenversatz zu beobachten, solange die horizontale Vibrationskomponente parallel (mit bzw. entgegen) zur Anströmung wirkt. Erfolgt die horizontale Vibration quer zur Anströmung, ist kein Unterschied im Phasenversatz messbar.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Experimental study of the onset of downstream motion of adhering droplets in turbulent shear flows. Experimental Thermal and Fluid Science, 2019, 109, 109843
  Barwari, B.; Burgmann, S.; Bechtold, A.; Rohde, M.; Janoske, U.
  
• Effects of fluid rheology and wetting properties on the droplet motion by a shear flow. Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics, Wien, 18.-22. Februar 2019
  Barwari B.; Burgmann S.; Rohde M.; Janoske U.
  
• Droplet motion induced by superposition of shearflow and horizontal surface vibration, ProcessNet-Fachtagung Computational Fluid Dynamics und Mehrphasenströmungen, Paderborn, 9.-10. März 2021
  Rohde, M.; Burgmann, S.; Janoske, U.
  
• Motion of adhering droplets induced by overlapping of gravitational and periodical acceleration. International Journal of Multiphase Flow, 2021, 135, 103537
  Barwari B.; Rohde M.; Wladarz, O.; Burgmann, S.; Janoske, U.
  
• Numerical analysis of an adhering droplet applying an adapted feedback deceleration technique. International Journal of Multiphase Flow, 2021, 103808
  Krämer, V.; Barwari, B.; Burgmann, S.; Rohde, M. Rentschler, S.; Holzknecht, C.; Gmelin, C.; Janoske, U.
  
• Onset of droplet motion induced by superposition of shear flow and surface vibration. The 5th International Conference on Droplets, Darmstadt, 16.-18. August 2021
  Rohde, M.; Burmann, S.; Barwari, B.; Janoske, U.
  
• Strömungsinduziertes Ablösen haftender Tropfen, ProcessNet-Fachtagung Computational Fluid Dynamics und Mehrphasenströmungen, Paderborn, 9.-10. März 2021
  Burgmann, S.; Metzmacher, A.; Rohde, M.; Janoske, U.