Suspensionstropfen Wandkollision und Partikeldeposition

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Sommerfeld
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464601110

Das geplante Projekt hat zum Ziel die Wandkollision von Suspensionstropfen experimentell und durch numerische Simulationen zu analysieren. Dieser sehr komplexe und wenig untersuchte Prozess ist von grundlegender Bedeutung und findet sich in vielen technischen Prozessen. Diese sind: Lackierung, Sprühtrocknung, Oberflächenbeschichtung, pharmazeutische Beschichtungen als auch Einzeltropfenprozesse, wie, Tintenstrahldrucken, Drucken von Biomaterialien und elektronischen Schaltkreisen. Die Experimente werden durchgeführt um die Regime des Tropfenaufpralls (Deposition, Rückprall und Zerteilen) mit Hilfe dimensionsloser Kennzahlen zu beschreiben. Weiterhin werden die Tropfenausbreitung und die Formation der Partikelablagerungen auf der Wand erfasst.Die Experimente sind vorgesehen für Suspensionstropfen im Millimeterbereich, für verschiedene Auftreffwinkel, Geschwindigkeiten und Wandmaterialien. Unterschiedliche Fluide und Volumenanteile der Partikel werden betrachtet um ein umfassendes Verständnis der Wandkollision von Suspensionstropfen zu erlangen. Auch werden unterschiedlich Partikelgrößen und Materialdichten untersucht, um deren Bewegungsverhalten innerhalb der Tropfenflüssigkeit beim Aufprall zu variieren. Die Visualisierung des Tropfenaufpralls erfolgt mit einem direkten Schattenverfahren in Kombination mit einer LED Hintergrundbeleuchtung und einer Hochgeschwindigkeitskamera. Damit wird nicht nur der Tropfenaufprall sondern auch die Bewegung der Partikel innerhalb der Flüssigkeit als auch deren Depositionsstruktur auf der Wand erfasst. Ergänzend werde numerische Simulationen durchgeführt, mit dem Ziel das Tropfenverhalten beim Wandaufprall und das Ergebnis vorherzusagen. Weiterhin soll die Partikelbewegung in der Flüssigkeit als auch die Struktur der resultierenden Wanddeposition berechnet werden. Zur Berechnung eines solch komplexen dreiphasigen Systems, sind eine Reihe von Erweiterungen des Euler/Lagrange Programms erforderlich. Als Basis dient das OpenFOAM Programm, welches am Institut bereits um einige hier erforderliche Modelle erweitert wurde. Das Verhalten von Tropfen bei einer Wandkollision wird mit der VoF (volume of fluid) Methode in Verbindung mit einer geometrische Rekonstruktion der Phasengrenzfläche (mit isoAdvector) berechnet. Die Bewegung der dispersen Partikel im Tropfen wird mit der Lagrangeschen Punktpartikelmethode unter Berücksichtigung aller Kräfte beschrieben. Zweiwegekopplung und Kollisionen zwischen Partikeln werden ebenfalls betrachtet. Weiterhin werden zusätzliche Kräfte für die Wechselwirkung der Partikel mit der Phasengrenzfläche und der Wand implementiert. Schließlich gilt es auch die Adhäsionskräfte bei der Wandwechselwirkung der Partikel zu berücksichtigen, um die Depositionsstruktur vorherzusagen. Die für diese Modelle erforderlichen Parameter werden mit Hilfe der experimentellen Untersuchungen erhalten. Das entwickelte numerische Berechnungsprogramm wird schließlich anhand der Messungen umfassend validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Dr. Iskander Akhatov, bis 3/2022