Teilprojekt A02 Tropea/Roisman

Teilprojekt A02 Tropea/Roisman

Tropfen/Spray-Aufprall auf Wandfilmen verschiedener Flüssigkeiten

Motivation

Gemischbildung sowie Emissionen in heutigen Verbrennungssystemen werden entscheidend durch die Wechselwirkung von Treibstrofftropfen, die auf Schmierölfilme im Zylinder auftreffen, beeinflusst. Ein weiterer Einfluss auf die Emissionen findet sich in SCR DeNOx Systemen, in denen Harnstoffwasserlösungen in Katalysatoren injiziert werden und auf bereits bestehende Flüssigkeitsfilme variierender Harnstoffkonzentration auftreffen. In beiden Fällen wird die Tropfen/Wand-Wechselwirkung beeinflusst von der Tatsache, dass Tropfen und Flüssigkeitsfilm aus unterschiedlichen Flüssigkeiten bestehen und einen unterschiedlichen Grad an Mischbarkeit aufweisen können. Die Zusammensetzung der Sekundärtropfen resultierend aus dem Aufprall und der Zustand des Flüssigkeitsfilms beeinflussen die Gemischbereitstellung sowohl im Motor als auch im Katalysator. Daher ist es wichtig, auch für die korrekte Simulation dieses physikalischen Phänomens, den Mechanismus des Sprayaufpralls mit unterschiedlichen Flüssigkeiten zu verstehen.

Ziele

Das Ziel dieser Arbeit ist, den Aufprall eines einzelnen Tropfens auf einen Flüssigkeitsfilm mit abweichender Flüssigkeit besser zu verstehen und zu modellieren. Spezifische Ziele hierbei sind die Messung der Splash-Grenze, Durchmesser der Sekundärtropfen sowie die Zusammensetzung des Wandfilms nach dem Aufprall. Diese Eigenschaften werden bestimmt durch die Aufprallparameter sowie die Kombination der Flüssigkeitseigenschaften (Viskosität und Oberflächenspannung). Die hieraus gewonnenen Messungen und Beobachtungen des Tropfenaufpralls werden als Grundlage für die Entwicklung eines Modells dienen. Dieses Modell soll für numerische Simulationen geeignet sein.

Methode

Um die Experimente durchzuführen, wird eine Versuchseinrichtung abgebildet in Abb. 1 aufgebaut. Dieser Versuchsstand besteht aus Tropfengenerator, der kontinuierlich aufeinander folgende, monodisperse Tropfen erzeugt, kippbarer Filmleger für die transparente Aufprallplatte zur optischen Beobachtung des Films , Auffangbehälter mit Waage, Freistrahlöffnung zur optionalen Erzeugung eines Gaswandstrahls, diverse optische Messtechniken wie eine Hochgeschwindigkeitskamera, ein Chromatic-Confocal-Sensor und Laser-Induzierte-Fluoreszenz sowie ein Kontrollsystem zur Versuchsüberwachung.

Der Wandfilm wird über einen Schlitz in der Platte erzeugt und die Dicke über den Volumendurchfluss und den Neigungswinkel bestimmt. Durch den Auffangbehälter mit integrierter Waage kann zum einen der Gesamtvolumenstrom und zum anderen im Falle von nicht mischbaren Flüssigkeiten das Mischungsverhältnis ermittelt werden. Eine Hochgeschwindigkeitskamera erlaubt die Beobachtung und Charakterisierung der Kronenbildung und das Spritzen untersucht sowie die Größe der Sekundartropfen bestimmt. Um den Wandfilm zu charakterisieren, werden zwei Messtechniken verwendet: ein Chromatic-Confocal-Sensor (CHR) zur Messung der Filmdicke sowie die Laser-Induzierte-Fluoreszenz (LIF)-Messtechnik zur Messung der Flüssigkeitsanteile im Film.

Eine Anordnung des Tropfengenerators und des Kippwinkels der Aufprallplatte erlaubt das Variieren des Aufprallwinkels von 0° bis 90°. Weiterhin sollen Reynolds- und Weberzahl sowie die Wandfilmdicke variiert werden. Verschiedene Stoffsystem werden untersucht, wie z.B. Isooktan/Öl (Shell Helix Ultra VS 5W 30) sowie Harnstoffwasserlösungen unterschiedlicher Konzentration.

Auf der theoretischen Seite soll ein Modell entwickelt werden, um die Dicke der Kronenwände sowie die Filmdicken der beiden Flüssigkeiten im Kronwandfilm vorhersagen zu können.

Abbildung 1: Experimenteller Aufbau (links), Aufbau mit optischen Messtechniken (rechts)
Abbildung 1: Experimenteller Aufbau (links), Aufbau mit optischen Messtechniken (rechts)