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Drop Impact on Dry Surfaces With Phase Change

Li, Hai :
Drop Impact on Dry Surfaces With Phase Change.
tuprints, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Drop Impact on Dry Surfaces With Phase Change
Language: English
Abstract:

Airframe icing caused by the Supercooled Large Droplet (SLD) has been identified as a severe hazard of aviation. The impact of SLD in the in-flight icing condition remains unknown in multiple aspects. The impact velocity is very high, and most of the drop impacts are oblique. The accompanying drop splash invalidates the current engineering tools for design of the anti-icing system. Furthermore the involvement of supercooling in drop impact demands exploration. In the framework of the EU Project EXTICE and DFG project SFB - TRR 75, this thesis contributes to understanding of the impact of SLD by two experimental investigations, respectively on the effect of supercooling on drop impacts and the drop splash after high-speed impact.

In the first experiment supercooled drops were created, and the drop impact with phase change was observed by both shadowgraph imaging and infrared imaging. The dynamic spreading diameter of the drop impact on aluminum surfaces was measured. Together with an analytical approach it was found that the phase change was negligible for drop impacts in typical icing conditions. The impact of supercooled drops on superhydrophobic surfaces revealed that the duration of the first stage of solidification in the drop impact was significantly shorter than that in a sessile liquid. Ice crystals formed in the supercooled water had a similar morphology to a snowflake. The drop receding on the hydrophobic surface was influenced by the contact temperature, which was measured by the infrared imaging. At low contact temperatures, asymmetrical receding was observed.

In the second experiment high speed impacts of single drops with diameters ranging from 130μm to 200μm on dry surfaces of rapid motion were recorded by shadowgraph imaging up to 1Mfps. The target velocity varied from 10m/s to 63m/s. The impact surface had an inclination ranging from 0° to 75° in order to investigate the effects of oblique impact. Six outcomes of drop impact were identified: deposition, prompt splash, corona-corona splash, corona-prompt splash, single-side splash and the aerodynamic breakup. The aerodynamic breakup on a horizontal target was an interaction between the spreading lamella and the gas boundary layer. A qualitative force analysis made on the spreading lamella pointed out that in a corona splash the stabilizing factor is surface tension, and the destabilizing factors are aerodynamic force and inertial force. The lamella thickness and critical spreading velocity correlate with each other in a complementary manner, leading to non-monotonic threshold impact velocities at different impact angles. The velocity of the splashing jets and the asymmetric spreading radii were measured from video. The mass-loss coefficient was measured for the drop impact on horizontal targets.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Flugzeugvereisung, die durch das Auftreffen großer unterkühlter Tropfen (Supercooled Large Droplets, SLD) verursacht wird, ist eine große Gefahr für die Flugsicherheit. Das Erscheinungsbild nach dem Aufprall unterkühlter Tropfen hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab, deren Einfluss jedoch noch nicht hinreichend bekannt ist. Die Tropfen treffen mit einer hohen Geschwindigkeit sowie unter einem Winkel relativ zur Oberfläche auf. Das begleitende Phänomen des Tropfensplash schränkt die gängigen numerischen Modelle zur Vorhersage des entstehenden Eisprofils stark ein. Zudem beeinflusst der Grad der Unterkühlung der autreffenden Tropfen ebenfalls die Eisbildung. In dem Rahmen des EU Projektes EXTICE und des DFG Projektes SFB - TRR 75, befasst sich diese Doktorarbeit zum einen mit der experimentellen Untersuchung des Einflusses der Unterkühlung auf dem Tropfenaufprall, zum anderen wird der schräge Tropfenaufprall mit hohen Geschwindigkeiten untersucht. In dem ersten Experiment wurde der unterkühlte Tropfen erzeugt. Der Tropfenaufprall mit Phasenwechsel wurde mittels Schattenbild- und Infrarotaufnahme beobachtet. Der dynamische Ausbereitungsdurchmesser vom Tropfenaufprall auf eine Aluminiumoberflächen wurde gemessen. Zusammen mit einer analytischen Untersuchung wurde festgestellt, dass der Phasenwechsel beim Tropfenaufprall für die typische Flugzeugvereisung vernachlässigbar war. Der Aufprall unterkühlter Tropfen auf hydrophobe Oberflächen wies darauf hin, dass die erste Stufe der Vereisung hierbei eine wesentlich kürzere Dauer als in einer ruhrenden Flüssigkeit hatte. Die entstandenen Eiskristalle hatten eine ähnliche Form wie Schneeflocken. Der Tropfenrückprall von hydrophoben Oberflächen wurde durch die Kontakttemperatur beeinflusst. Die Kontakttemperatur wurde durch die Infrarotaufnahme gemessen. Bei niedrigen Kontakttemperaturen wurde ein asymmetrischer Tropfenrückprall beobachtet. In dem zweiten Experiment wurde der Hochgeschwindigkeitsaufprall von einzelnen Tropfen auf ein trockenes und sich schnell bewegendes Ziel durch Schattenbildaufnahme mit einer Auflösung bis zu 1Mfps aufgenommen. Die Tropfengröße betrug 130μm} bis 200μm, die Zielgeschwindigkeit zwischen 10m/s und 63m/s. Das Ziel war zwischen 0° und 75° geneigt, um schräge Aufpralle untersuchen zu können. Sechs Verhaltensformen des Tropfens nach dem Aufprall wurden identifiziert: Ausbreitung, Prompt Splash, Corona-corona Splash, Corona-prompt Splash, einseitiger Splash sowie der aerodynamisch bedingte Zerfall. Der aerodynamische Zerfall, der nur beim Tropfenaufprall auf ein horizontales Ziel beobachtet wurde, war das Resultat einer Interaktion zwischen der sich ausbreitenden Lamelle und der Luftgrenzschicht über dem Ziel. Eine qualitative Kraftfeldanalyse auf der sich ausbreitenden Lamelle wies darauf hin, dass in dem Corona Splash die Oberflächenspannung der stabilisierende Faktor ist und die aerodynamische Kraft sowie die Trägheitskraft sich destabilisierend auswirken. Die Lamellendicke und die kritische Ausbreitungsgeschwindigkeit korrelieren miteinander in einer ergänzenden Weise. Dies führte bei unterschiedlichen Aufprallwinkeln zu abweichenden Grenzgeschwindigkeiten, für die Splash auftrat. Die Geschwindigkeit des Splash-Flüssigkeitsstrahls und die dynamischen Ausbreitungsradien wurden den Aufnahmen entnommen. Der Massenverlust wurde für die Aufpralle auf horizontale Ziele gemessen.German
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: tuprints
Uncontrolled Keywords: SLD, drop splash, supercooled water, nucleation, solidification
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
Date Deposited: 29 Jul 2013 10:07
Last Modified: 05 Aug 2013 12:23
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-35507
Referees: Tropea, Prof. Cameron and Weigand, Prof. Bernhard and Roisman, Dr Ilia
Refereed: 11 July 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3550
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