Tropfendynamik in Sprays

Ein grundlegendes Verständnis der Dynamik von Tropfen in Sprays ist in der numerische Strömungsmechanik (CFD) für die Entwicklung von Simulationsmodellen von entscheidender Bedeutung, um Transportvorgänge in Sprays möglichst genau berechnen zu können. Dabei ist nicht nur die Dynamik einzelner Tropfen von Belang, sondern auch die gegenseitigen Einflüsse benachbarter Tropfen aufeinander. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, die Beschreibung der Tropfendynamik in Sprays zu verbessern. Sie wird im Rahmen des Projektes NANOaers der Europäischen Union, durchgeführt.
Vollkegel-Consumer-Sprays werden mit Hilfe einer handelsüblichen Druckluft-Sprühdose, unter Verwendung von Wasser als Testflüssigkeit, unter stationären Bedingungen erzeugt. Mit einem Phasen-Doppler-Anemometer wird das Spray in mehreren Ebenen normal zur Sprayachse charakterisiert (im Intervall 100 - 300 Düsendurchmesser stromab der Düse). Dabei werden die lokalen Spektren von Tropfendurchmesser und –geschwindigkeiten (axial und radial), sowie lokale Tropfenanzahlstromdichten messtechnisch erfasst.
Die vermessene Sprayströmung wird ebenso mittels des CFD-Softwarepakets ANSYS Fluent numerisch simuliert. Darin wird ein auf Euler-Lagrange-Beschreibung basiertes Zwei-Phasen-Modell verwendet, um die räumliche Entwicklung der Spektren der Eigenschaften der diskret betrachteten Flüssigphase (Tropfen) sowie das Geschwindigkeitsfeld der umgebenden, kontinuierlich betrachteten Gasphase stromab der Düse zu simulieren. Es ergeben sich signifikante Abweichungen der Simulationsdaten von den Messergebnissen, insbesondere hinsichtlich lokaler mittlerer Tropfendurchmesser und -geschwindigkeiten. Als Hauptgrund für diese Abweichungen wurde das eingesetzte Modell für den aerodynamischen Widerstandskoeffizienten der Tropfen identifiziert. Auch in modernen CFD-Softwarepaketen wird hierzu ein Einzeltropfenmodell verwendet (z.B. Schiller-Naumann), welches nur von der Tropfen-Reynoldszahl abhängt. Die möglichen Einflüsse benachbarter Tropfen werden dabei nicht berücksichtigt. Unsere experimentellen Ergebnisse zeigen aber, dass insbesondere sehr kleine Tropfen (mit Durchmessern in der Größenordnung um 10 μm) stark von umgebenden Tropfen beeinflusst werden. Die Messdaten liefern für Tropfen in dieser Größenordnung bimodale lokale Geschwindigkeitsspektren. Offenbar üben also zwei verschiedene physikalische Mechanismen Einfluss auf die Bewegung dieser Tropfen aus. Ein Teil der Tropfen fliegt mit der Geschwindigkeit des umgebenden Gases und kann damit zur Bestimmung der Gasgeschwindigkeit eingesetzt werden. Der andere Teil, zunächst unerwartet, weist dagegen sehr viel höhere Geschwindigkeiten auf. Die Messdaten zeigen, dass diese Tropfen statistisch bevorzugt im Nachlauf von größeren Tropfen fliegen. Eine Vorgehensweise zur Identifikation dieser beiden Anteile kleiner Tropfen im Spray, und damit der Gasgeschwindigkeit, wird demonstriert.
Die präsentierten Messdaten und Simulationsergebnisse verdeutlichen den Bedarf an einem fortgeschrittenen Modell für den Widerstandsbeiwert von Tropfen in Sprays, welches über das Einzeltropfenmodell hinausgeht. Ein Ansatz für ein solches Modell wird dargestellt.