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Aerodynamically Driven Surface-bound Liquid Flows: Characterization and Modeling of Wetting Patterns

Feldmann, Johannes (2020):
Aerodynamically Driven Surface-bound Liquid Flows: Characterization and Modeling of Wetting Patterns.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011443,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Aerodynamically Driven Surface-bound Liquid Flows: Characterization and Modeling of Wetting Patterns
Language: English
Abstract:

The interaction of rain with a moving vehicle leads to the partial deposition of water drops on its surface. This results in thin surface bound film or rivulet flows moving under the combined action of gravity and aerodynamic forces. In the transportation industry, an actively engineered guidance of these flows has been identified as an effective measure to influence for example the soiling process of cars or the accretion of ice on airplanes, when flying through clouds of supercooled liquid drops. However, methodologies presently applied in the design process are mainly restricted to empirical testing in environmental wind tunnels. A simulation of such aerodynamically driven wetting is desirable, but to date involves extremely high computational efforts and costs and is in general not feasible.

A significant decrease in this computational cost can be achieved by identifying and physically describing recurring elements of aerodynamically driven thin liquid flows in the form of models. These models can then be employed in computational schemes, allowing a coarser grid resolution. The development of such models for a selection of exemplary surface bound liquid flows is the goal of the present experimental and analytical study.

To this aim a wind tunnel experiment has been designed in which a freely developing wetting pattern on a surface under controlled input conditions can be examined using visualization techniques. The acquired information about the flow of films, rivulets and drops allows changes in the wetting patterns under variation of input parameters to be identified, most on a statistical basis. The derived dependencies can then be used as input for model formulation.

The modeling that has been carried out concentrates on the dynamics of aerodynamically driven film flows and on instability mechanisms which can explain the breakup of films and the formation of dry patches on the surface. The dynamics of the resulting film is then analyzed, exhibiting its characteristic V-shaped contraction into a rivulet. Finally, a criterion for the onset of aerodynamically driven rivulet meandering is introduced. The models developed for these flows exhibit good agreement with the experimentally captured data indicating that the main influencing factors have been properly identified. This offers the possibility to improve the numerical code used in vehicle development.

In an outlook, it is proposed that the categorization of wetting patterns can serve as a framework to allow more detailed investigation on constitutive elements of a wetting pattern. In particular, it is suggested that future research concentrates on the dynamics of rivulet flow, as this element is prevalent in wetting patterns and existing explanations of rivulet stability and propagation are sparse, especially when an outer airflow is involved.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Wechselwirkung von Regen mit einem bewegten Fahrzeug führt zu einer teilweisen Benetzung seiner Oberfläche mit Wassertropfen. Dies resultiert in dünnen oberflächengebundenen Film- und Rinnsalströmungen, die sich unter dem kombinierten Einfluss der Schwerkraft und aerodynamischen Kräften bewegen. Im Transportwesen stellt eine aktiv ausgelegte Regenwasserführung eine effektive Maßnahme dar, um beispielsweise den Verschmutzungsprozess von Autos, oder die Vereisung von Flugzeugen beim Flug durch Wolken unterkühlter Tropfen zu beeinflussen. Die Vorgehensweise bei der Auslegung bleibt hier jedoch zumeist auf Erfahrungswerte und Versuche in Umweltwindkanälen beschränkt. Eine computergestützte Simulation der Wasserführung ist wünschenswert, jedoch auf extrem aufwändige direkte numerische Simulationen beschränkt und so nicht praktisch anwendbar. Ein großes Einsparpotenzial für den Rechenaufwand besteht darin, wiederkehrende Elemente von dünnen Oberflächenströmungen zu identifizieren und mit physikalischen Modellen zu beschreiben. Diese Modelle können dann in numerische Strömunssimulationsprogramme implementiert werden und erlauben eine gröbere Auflösung des numerischen Gitters. Das Erarbeiten solcher physikalischen Modelle für eine Auswahl an aerodynamisch getriebenen Oberflächenströmungen ist das Ziel dieser experimentellen und analytischen Arbeit. Um diese Modelle entwickeln zu können, wurde ein Satz an Windkanalexperimenten durchgeführt. Ein sich frei entwickelndes Benetzungsmuster auf einer Oberfläche wurde hier unter kontrollierten Eingangsbedingungen photographisch dokumentiert. Die so gesammelten Informationen über die vorliegenden Filme, Rinnsale und Tropfen erlauben es, Veränderungen im Erscheinungsbild des Benetzungsmusters durch verschiedene Eingangsbedingungen zu identifizieren und auf statistischer Basis zu diskutieren. Die so offengelegten Abhängigkeiten erlauben dann eine physikalische Modellbildung. Die entwickelten Modelle konzentrieren sich auf die Erscheinungsformen aerodynamisch getriebener Filmströmungen und stellen eine Instabilität vor, die den Aufbruch von Filmen in Rinnsale und trockene Bereiche der Oberfläche erklären kann. Danach wird das Flüssigkeitsverhalten in bereits aufgebrochenen Filmen analysiert, die eine charakteristische, V-förmige Filmkontraktionszone aufweisen und schlussendlich in ein Rinnsal münden. Schließlich wird ein Kriterium eingeführt, das den Beginn des Mäanderns von aerodynamisch getriebenen Rinnsalen erklärt. Sämtliche Modelle bilden die experimentell aufgenommenen Daten gut ab was nahelegt, dass die relevanten Einflussfaktoren auf die genannten Phänomene aufgedeckt wurden. Dies ermöglicht die Verbesserung der numerischen Simulationsprogramme. Abschließend wird in einem Ausblick angeregt, dass die hier vorgenommene Kategorisierung des gesamten Benetzungsmusters verwendet werden kann um den Rahmen für detailliertere Untersuchungen zu ermöglichen. Speziell wird vorgeschlagen, eine genauere Beschreibung von Rinnsalströmungen vorzunehmen, deren Eigenschaften - speziell unter Einfluss einer Luftströmung - nur grob verstanden sind.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
Date Deposited: 29 Jul 2020 09:01
Last Modified: 29 Jul 2020 13:03
DOI: 10.25534/tuprints-00011443
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-114437
Referees: Tropea, Prof. Dr. Cameron and Roisman, Apl. Prof. Ilia V. and Stephan, Prof. Dr. Peter
Refereed: 23 June 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11443
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