Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Tropfen-Film-Interaktion

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Interaktionen zwischen Tropfen und Wänden spielen in vielen technischen Bereichen eine entscheidende Rolle. Ein Beispiel dafür ist die Interaktion des Kraftstoffstrahls mit dem Ölfilm an der Zylinderwand in Otto- und Dieselmotoren. Die Wechselwirkung eines Schmierölfilms mit auftreffenden Kraftstofftropfen und die Verdampfung von Kraftstoff aus dem Film haben einen starken Einfluss auf die Schmierölemissionen durch die Gemischbildung und Verbrennung im Brennraum. Momentan ist es aufgrund von fehlenden detaillierten Tropfen-Wand- Interaktionsmodellen nicht möglich, die komplexen Vorgänge des Kraftstoffeintrags in den Wandfilm und der Verdampfung von Kraftstoff aus dem Film genau zu simulieren und vorherzusagen.Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, numerische Modelle zur Tropfen-Wand-lnteraktion zu entwickeln, die diese Vorgänge physikalisch genau abbilden können. Dabei werden die Phänomene des Tropfenaufpralls auf benetzte Wände mit einem dünnen Wandfilm und unter beliebigen Winkeln, sowie die Interaktion zwischen mehreren aufprallenden Tropfen näher untersucht. Das Projekt beinhaltet sowohl eine experimentelle als auch eine numerische Betrachtung. Im Bereich der Numerik wird eine Parameterstudie mit Hilfe der Direkten Numerischen Simulation (DNS) durchgeführt. Es sollen Korrelationen für die Splashinggrenze, sowie für die Anzahl, Größe, Geschwindigkeit und Abscheidewinkel der Sekundärtropfen gefunden werden, die während eines Splashingvorgangs entstehen. Für die Modellierung der Interaktion zwischen mehreren aufprallenden Tropfen werden Skalierungsgesetze zur Erweiterung der Einsetzbarkeit der vorgeschlagenen Modelle hinsichtlich technisch realistischer Tropfen-Wand-Interaktionen abgeleitet.Bei den experimentellen Untersuchungen wird das transiente Verhalten des Splashingprozesses, der durch den Aufprall von mehreren Tropfen auf einen dünnen Ölfilm ausgelöst wird, im Detail analysiert. Zur Messung der Größenverteilung der Sekundärtropfen, zur Bestimmung des Geschwindigkeitsfeldes und zur Analyse der Morphologie des Splashingprozesses werden verschiedene Messtechniken eingesetzt. Die gewonnenen Daten dienen im Wesentlichen zur Validierung der numerischen Berechnungen sowie zur Überprüfung der Vorhersagefähigkeiten des vorgeschlagenen Wechselwirkungsmodells.