Aufprall unterkühlter Tropfen auf kalte Oberflächen

Die wissenschaftlichen Fragestellungen dieses Projektes entstehen aus der Problematik der Flugzeugvereisung, da hier die Vorhersage des Tropfenaufpralls und Erstarrung aufgrund fehlender Grundlagen nur unzureichend möglich ist. Daher ist das Globalziel des Projektes, ein Modell des Aufprall- und Erstarrungsvorganges zu formulieren und zu validieren, bei dem der Aufprall von unterkühlten Einzeltropfen auf kalte Wände näher untersucht wird.

Dabei wird besondere Aufmerksamkeit auf die Dynamik der sukzessiv ablaufenden Prozesse des Aufpralls, der Tropfenausbreitung und Tropfenvereisung auf der Zieloberfläche sowie der anschließenden Ausbreitung der nicht vereisten Wassermasse auf der vorher gebildeten Eisschicht zum endgültig abgeschlossenen Vereisungsvorgang gelegt.

Die eigentliche Herausforderung besteht darin, die beobachtete Morphologie der Vereisung vorherzusagen. Komplementäre experimentelle und numerische Untersuchungen sollen dabei helfen, dieses Ziel zu erreichen.

Ziel der numerischen Untersuchung ist die Entwicklung von geeigneten Methoden und Modellen, die sowohl die Hydrodynamik des Aufpralls als auch die Thermodynamik der Erstarrung korrekt erfassen.

Die numerische Erfassung der im Rahmen des Vereisungsprozesses sukzessiv zu verfolgenden flüssigen Oberflächen des Phaseninterface (Flüssig-Eis) und der freien Eisfläche basiert auf einer modifizierten Volume-of-Fluid (VOF) Methode, die dank einer besseren Modellierung des Geschwin-digkeitsfeldes im Prozess der Konvektion des flüssigen Volumenbruches eine höhere Auflö-sung der Grenzfläche ermöglicht.

Dabei wird besondere Aufmerksamkeit auf die Definition des Kontaktwinkels zwischen der flüssigen Phase und der festen Wand sowie der flüssigen Phase und der Front der verei-senden Phase gewidmet.

Die im Rahmen dieses Projektes zu untersuchenden Strömungsfälle umfassen den senk-rechten und schrägen Aufprall der Einzeltropfen unterschiedlicher Größe und Temperatur.

Die Tropfen- sowie Umgebungsparameter werden so ausgewählt, damit beide charakteristi-sche Formen der Eisbildung entstehen:

„rime ice“ (sofortige Erstarrung des Tropfens nach dem Aufprall) und

„glaze ice“ (allmähliche, teilweise Vereisung des Tropfens).

Collaborative Research Center Transregio 75

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