Experimentelle und numerische Untersuchung des Bewegungsverhaltens von Flüssigkeiten zwischen zwei planparallelen Platten unter Anströmung, Gravitation und mechanischer Vibrationsanregung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Uwe Janoske
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 565308393

In technischen Anwendungen, z.B. in den Kanälen von Brennstoffzellen oder in Spalten, in denen Flüssigkeit zu Korrosion führen kann, sind Flüssigkeitstropfen vorhanden, die beide Wände des Kanals benetzen. Das Verständnis der Bewegung von beidseitig benetzenden Tropfen in Kanälen mit planparallelen Wänden unter dem Einfluss aerodynamischer Kräfte, des Gravitationsfeldes als auch überlagerter mechanischer Vibrationskräfte ist aktuell nicht vorhanden. Bisherige Untersuchungen für den Fall paralleler Wände beschränken sich auf die erzwungene Bewegung von Tropfen bei niedrigen Reynoldszahlen in einer Hele-Shaw-Konfiguration. In Voruntersuchungen zeigten sich unter aerodynamischer Anströmung unterschiedliche Bewegungsmuster des Tropfens (Gleiten, Aufplatzen, Bewegung als einseitig benetzender Tropfen). Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen sollen mittels Schattenverfahren und Particle-Image Velocimetry (PIV) die Regime sowohl bei Anströmung als auch mit Überlagerung einer unterschiedlich orientierten Gravitationsrichtung für unterschiedliche Eigenschaften der Kanalwände (Kontaktwinkel) identifiziert werden. Durch die Ankopplung des Kanals an einen elektrodynamischen Shaker lassen sich unterschiedliche Anregungsamplituden und Frequenzen einstellen. Dabei wird die Anregung des Kanals entweder in bzw. quer zur Strömungsrichtung durchgeführt. Die Regime der Tropfenbewegung (Bewegungsmuster) werden als Funktion dimensionsloser Kennzahlen, die mit Hilfe der Betriebs-, Geometrie und Materialdaten gebildet werden, dargestellt. Die Auswertung des Schattenverfahrens dient zur Charakterisierung des Benetzungs- und Bewegungsverhaltens des Tropfens, die PIV-Messung der Analyse des zugehörigen Strömungsfeldes. Parallel dazu werden numerische Untersuchungen für ausgewählte Betriebspunkte mit Hilfe eines gekoppelten Volume-of-Fluid Modells (VoF), das mit einem Feed-Back Deceleration Ansatz zur Beschreibung der Kontaktwinkelhysterese kombiniert wird, durchgeführt. Mit Hilfe der experimentellen und numerischen Untersuchungen werden detaillierte Analysen zum Bewegungsverhalten beidseitig benetzender Tropfen zwischen zwei planparallelen Platten abgeleitet. Ziel ist die Erlangung eines grundlegenden Verständnisses für die Mechanismen, die zu den unterschiedlichen Regimen führen. Dimensionslose Kennzahlen erlauben die Abschätzung der vorherrschenden Regime. Das validierte Rechenmodell ist in der Lage, das Verhalten in ähnlichen Konfigurationen zuverlässig zu berechnen. Durch diese Kenntnisse eröffnen sich neue Möglichkeiten zur Anwendung von überlagerten Kräften zur Kontrolle der Tropfenbewegung in Spalten, die u.a. in neue Technologien zur Flüssigkeitsabfuhr (Reduktion Korrosion, Reduktion Flooding, usw.) münden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen