Experimentelle Untersuchung der Interaktion haftender Tropfen in unterschiedlichen Anordnungen unter Einfluss der Superposition von Anströmung und Vibration
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes wurde die Interaktion eines haftenden Tropfenpaares unter Einwirkung verschiedener Kräfte untersucht. Neben einer reinen Anströmung der Tropfenpaare wurde zusätzlich der Einfluss einer überlagerten eindimensionalen Schwinganregung auf die Wechselwirkung der Tropfen untersucht. Mit Hilfe von Hitzdraht- und PIV-Messungen konnte ein Zusammenhang zwischen der Tropfenoszillation selbst und dem Fluktuationsverhalten der Nachlaufströmung nachgewiesen werden. Die aus den Versuchsdaten errechneten Frequenzspektren zeigen dabei folgenden Zusammenhang auf: Im Frequenzspektrum eines angeströmten Einzeltropfens wird ausschließlich eine Frequenzspitze detektiert, welche mit der zweiten Eigenfrequenz des Tropfens übereinstimmt. PIV-Aufnahmen belegen, dass das im Frequenzspektrum der Nachlaufströmung gemessene Signal aufgrund periodischer Wirbelablösung erfolgt. Anhand des zeitlich gemittelten Strömungsfeldes kann eine ausgedehnte Rezirkulationszone hinter dem Tropfen nachgewiesen werden. Die Kombination aus zwei Tropfen (V1: stromauf, V2: stromab) führt zu einer Änderung des Strömungsfeldes aufgrund ihrer Interaktion. Hitzdrahtmessungen zeigen eine Änderung der Frequenzspitzen im Frequenzspektrum der Nachlaufströmung auf. Dabei zeigt sich, dass die messbare Frequenzspitze abhängig ist von dem Volumenverhältnis V1/V2. PIV-Aufnahmen zeigen deutlich eine Änderung des Strömungsfeldes, insbesondere im Nachlauf des stromab gelegenen Tropfens – eine Rezirkulationszone bildet sich nicht aus. Es können Wirbelbildungen im Nachlauf des stromab gelegenen Tropfens beobachtet werden, doch scheinen die charakteristischen Frequenzen der Wirbel und der Tropfenschwingung keine anfachende, sondern eine auslöschende Wirkung mit vermehrter Wirbeldissipation zu verursachen. Das geänderte Strömungsfeld um die Tropfen herum hat einen direkten Einfluss auf die kritische Anströmgeschwindigkeit (v_krit), welche zum Ablösen eines Tropfens benötigt wird. Die Untersuchungen zeigen, dass dabei eine Abhängigkeit vom Volumenverhältnis V1/V2 besteht. Zusätzlich ist eine Abhängigkeit bezogen auf den Abstand beider Tropfen zueinander festzustellen. Für Volumenverhältnisse V1/V2 < 1 setzt sich stets der stromab gelegene größere Tropfen in Bewegung. Für den stromab gelegenen Tropfen V2 wird für eine nahe Platzierung beider Tropfen eine Anströmgeschwindigkeit benötigt, die bis zu 20 % höher ist im Vergleich zu einem ungestörten Einzeltropfen. Mit steigendem Abstand beider Tropfen nähert sich die kritische Anströmgeschwindigkeit der eines Einzeltropfens an. Nimmt das Volumenverhältnis V1/V2 Werte > 1 an, wird stets der stromauf gelegene Tropfen V1 zuerst in Bewegung gesetzt, was im weiteren Verlauf der Versuchsdurchführung ein Verschmelzen beider Tropfen zur Folge hat. Durch eine gleichzeitig überlagerte vertikale Schwinganregung verändert sich die Interaktion eines Tropfenpaares erneut. Dabei zeigt sich, dass mit Hilfe der überlagerten vertikalen Schwinganregung für bestimmte Frequenzbereiche ein Verschmelzen beider Tropfen erzwungen werden kann, was bei reiner Anströmung nicht möglich wäre. Im umgekehrten Fall ist eine Verhinderung einer Tropfenverschmelzung möglich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Droplet motion induced by superposition of shear flow and horizontal surface vibration. International Journal of Multiphase Flow, 155, 104163.
Rohde, Martin; Barwari, Beawer; Burgmann, Sebastian & Janoske, Uwe
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Droplet motion induced by superposition of shear flow and two-dimensional surface vibration. 14th European Fluid Mechanics Conference, Athen Greece, 13.-16. September 2022.
Rohde, M.; Burgmann, S. & Janoske, U.
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Inner and outer flow of an adhering droplet in shear flow. International Journal of Multiphase Flow, 153, 104140.
Burgmann, Sebastian; Krämer, Veronika; Rohde, Martin; Dues, Michael & Janoske, Uwe
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Tropfenverhalten bei Superposition einer eindimensionalen Vibrationsanregung und Scherströmung. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Mehrphasenströmungen, Mechanische Flüssigkeitsabtrennung sowie Zerkleinern und Klassieren, Paderborn, 21.–22. Februar 2022.
Rohde, M.; Burgmann, S. & Janoske, U.
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Messung der Nachlaufströmung eines haftenden und oszillierenden Tropfenpaares mittels Hitzdrahtanemometrie. Jahrestreffen der DECHEMA-Fachgruppen Aerosoltechnik, Mehrphasenströmungen, Partikelmesstechnik und Gasreinigung, Paderborn, 28.–30. März 2023.
Rohde, M.; Burgmann, S. & Janoske, U.
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The impact of a two-dimensional vibration excitation on the critical incident flow velocity of a sessile droplet. International Journal of Multiphase Flow, 171, 104663.
Rohde, Martin; Burgmann, Sebastian & Janoske, Uwe
