Verteilung und Ablagerung von Partikeln in verdampfenden festsitzenden Tröpfchen

• Antragsteller: Professor Dr. Berend van Wachem
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452916560

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel dieses Projekts war die Modellierung von Partikeldispersion und -ablagerung in verdampfenden sessilen Tropfen, um die Partikelverteilung, das Geschwindigkeitsfeld, die Dampfdiffusion und Temperaturprofile vorherzusagen. Hierfür wurde ein zweistufiges numerisches Verfahren entwickelt, das eine Volume-of-Fluid-(VOF)-Methode mit einer Diskreten-Elemente-Methode (DEM) kombiniert, um die gekoppelte Dynamik von Verdampfung, Strömung und Partikelbewegung zu erfassen. Die Modelle wurden durch experimentelle und analytische Daten validiert und zeigten eine gute Eignung für Anwendungen wie Beschichtung, Tintenstrahldruck und Mikrofluidik. Zunächst wurde der Einfluss von Marangoni-Kräften auf monodisperse Partikel untersucht. Temperaturgradienten durch beheizte Substrate erzeugen Strömungen, die die Coffee-Ring-Bildung unterdrücken, indem sie Partikel vom Rand wegleiten. Anschließend wurde das Modell auf bidisperse Systeme mit konstantem Kontaktwinkel erweitert. Die Simulationen zeigten, dass Marangoni-Strömungen eine Selbstsortierung bewirken: Kleinere Partikel bilden am Apex einen Kern, größere lagern sich außen an. Dies zeigt das Potenzial, die Ablagerung durch Temperatur, Partikeleigenschaften und Tropfendynamik gezielt zu beeinflussen. Das Simulationswerkzeug bildet alle wesentlichen physikalischen Mechanismen ab, einschließlich kapillarer Effekte an der Phasengrenze, und erlaubt eine zuverlässige Vorhersage der Partikelanordnung.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Breaching the capillary time-step constraint using a coupled VOF method with implicit surface tension. Journal of Computational Physics, 459, 111128.
  Denner, Fabian; Evrard, Fabien & van Wachem, Berend
  
• Data for the paper A fully-coupled algorithm with implicit surface tension treatment for interfacial flows with large density ratios
  Janodet, R., van Wachem, B. & Denner, F.
  
• Data for the paper Dispersion of particles in a sessile droplet evaporating on a heated substrate
  Jain, A., Denner, F. & van Wachem, B.
  
• Dispersion of particles in a sessile droplet evaporating on a heated substrate. International Journal of Multiphase Flow, 180, 104956.
  Jain, Aman Kumar; Denner, Fabian & van Wachem, Berend
  
• Numerical Analysis of the Dispersion and Deposition of Particles in Evaporating Sessile Droplets. Langmuir, 40(26), 13428-13445.
  Erdem, Ali Kerem; Denner, Fabian & Biancofiore, Luca
  
• A fully-coupled algorithm with implicit surface tension treatment for interfacial flows with large density ratios. Journal of Computational Physics, 520, 113520.
  Janodet, Romain; van Wachem, Berend & Denner, Fabian
  
• Data for the paper Self-sorting of bidisperse particles in evaporating sessile droplets
  Jain, A., Denner, F. & van Wachem, B.
  
• Self-sorting of bidisperse particles in evaporating sessile droplets
  Jain, A.K., Denner, F. & van Wachem, B.