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Characterization of liquid spray impact onto walls and films

Kalantari, Davood :
Characterization of liquid spray impact onto walls and films.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Characterization of liquid spray impact onto walls and films
Language: English
Abstract:

The present work is concerned with the characterization of liquid spray impact onto walls and films. Empirical studies on spray impact rely almost solely on the phase Doppler instrument for obtaining quantitative data about drop size and velocity distributions. The thesis begins therefore with a careful examination of applying the phase Doppler instrument to new-wall measurements beneath a spray. This includes consideration of the influence of the measurement volume height above the rigid wall, the input laser power and the spatial location of the detection volume on the measured characteristics of the impinging and secondary spray. This knowledge is then used for all subsequent measurements made within the framework of this investigation. After a qualitative and quantitative characterization of the resulting secondary spray and the accumulated wall film, a set of empirical models is presented for prediction of the characteristics of the secondary spray generated due to a liquid spray impact onto a rigid wall. In the models, characterization of the secondary spray has been formulated in terms of correlations for the velocity and trajectory of secondary droplets and the mass and number ratio of the secondary spray. The novel aspect of the model is that the correlations are based on the mean statistics over many events in the spray and not on the outcome of single drop impact experiments. Another interesting feature of the experiments is the rather large range of oblique impact angles captured, due to the different drop trajectories exiting from the spray. A phase Doppler instrument has been used to measure drop size and two components of velocity directly above the target. A high-speed CCD camera has been used to measure the average film thickness formed due to spray impact. In a second step, a theoretical model to predict the average film thickness formed due to a liquid spray impinging onto a flat and rigid wall is presented. This model takes into account the characteristics of the impinging spray, e.g. flux density of impacting droplets, hydrodynamic pressure of the impinging spray and viscosity of the impacting liquid droplets. It considers the mass and momentum balance of the film, including viscosity effect and neglecting the Laplace pressure. A second simplified model for predicting the average film thickness as a function of mean Reynolds number and flux density of the impacting droplets and the average drop diameter is presented based on dimensional analysis. Both theoretical derivations for the average film thickness show good agreement with most of the measurements. This thesis also provides an experimental comparison of the splashing phenomenon for single drops and for drops in a spray, followed by a derived theoretical model. Such a comparison can be very valuable for future modelling of spray impact. The last section of this thesis presents an experimental study for different aspects of liquid spray impact onto a deep liquid layer under well controlled experimental conditions; deformation of the air-liquid film interface due to the hydrodynamic pressure exerted by the impacting drops, the generation of a secondary spray, and the air bubble entrainment into the liquid film. A high-speed CCD camera has been used to measure the deformation of the air-liquid film interface and the distribution of the air bubbles inside the deep liquid film. Two different configurations of a phase Doppler instrument have been used to measure drop size and two components of velocity directly above the film as well as the size and two components of velocity of the air bubbles inside the deep pool.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung des Aufpralls eines flüssigen Sprays auf unterschiedliche Wände und Filme. Nachdem zunächst eine qualitative und quantitative Charakterisierung des Sekundärsprays und entstehenden Wandfilme vorgestellt wurde, wird anschließend ein Satz empirischer Modelle zur Vorhersage der Eigenschaften des Sekundärsprays, erzeugt durch einen Sprayaufprall auf eine starre Wand, dargestellt. In diesem Modell ist die Charakterisierung des Sekundärsprays als Wechselbeziehung von Geschwindigkeit und Flugbahn der Sekundärtröpfchen, sowie deren Massen- und Zahlenverhältnis ausgedrückt. Der neuartige Aspekt des Modells liegt darin, dass die Korrelationen auf durchschnittlichen statistischen Größen über mehrere Ereignisse im Spray gemittelt, und nicht auf dem Resultat Einzeltropfenaufprallexperimente basieren. Eine andere interessante Eigenschaft der Experimente ist der große Bereich der Aufprallwinkel, die berücksichtigt werden konnten. Zur Messung der Tropfengröße und zweier Geschwindigkeitskomponenten wurde ein Phasen-Doppler Gerät benutzt. Um die durch Sprayaufprall entstandenen durchschnittlichen Filmdicken zu messen, kam eine Hochgeschwindigkeitkamera zum Einsatz. In einem zweiten Schritt wird ein theoretisches Modell zur Vorhersage der durchschnittlichen Filmdicken vorgestellt. Das Modell basiert auf der Hydrodynamik eines sich ausbreitendem dünnen Flüssigkeitsfilms auf einer starren Wand. Dabei nimmt das Modell die Eigenschaften des Spray-Aufpralls in Betracht, wie beispielsweise Flussdichte und Viskosität der aufprallenden Tröpfchen und den dynamischen Druck des Sprays. Ein weiteres vereinfachtes Modell zur Vorhersage der durchschnittlichen Filmdicken als Funktion der mittleren Reynolds-Zahl, der Flussdichte der aufprallenden Tröpfchen und des durchschnittlichen Tropfendurchmessers wird basierend auf der Dimensionsanalyse dargestellt. Beide theoretischen Ableitungen für die durchschnittliche Filmdicke zeigen eine gute Überstimmung mit den Messungen. Weiterhin schafft diese Arbeit einen grundlegenden Vergleich zwischen dem Aufprall für einzelne Tropfen und dem Aufprall für Tropfen in einem Spray, gefolgt von einem abgeleiteten theoretischen Modell. Ein solcher Vergleich kann für das zukünftige Modellieren des Sprayaufpralls sehr wertvoll sein. Ein weiterer Teil dieser Arbeit stellt eine experimentelle Untersuchung des Sprayaufpralls auf eine tiefe Flüssigkeit dar, in dem Deformation der Luft-Flüssigkeit-Grenzfläche aufgrund des dynamischen Drucks durch aufprallende Tropfen, die Erzeugung eines Sekundärsprays und die Entstehung von Blasen durch den Einschluss von Luft in der Flüssigkeit behandelt wird. Um die Deformation der Luft-Flüssigkeit-Grenzfläche und die Verteilung der Luftblasen innerhalb der Flüssigkeit zu messen, wurde eine Hochgeschwindigkeits-CCD Kamera benutzt. Zwei unterschiedliche Konfigurationen eines Phasen-Doppler-Gerätes wurden verwendet, um einerseits Tropfendurchmesser und zwei Geschwindigkeitskomponenten direkt über dem Film sowie andererseits Durchmesser und zwei Geschwindigkeitskomponenten der Luftblasen innerhalb der Flüssigkeit zu messen. Abschließend werden einige Überlegungen für die Phasen-Doppler-Messungen des Sprayaufpralls auf eine starre Wand im Detail präsentiert. Dieser Teil der Arbeit liefert experimentellen Ergebnisse, die den Einfluss der Messvolumenhöhe über der Wand, und den Einfluss der eingehenden Laser-Leistung auf die Messergebnisse der Eigenschaften des Sekundärsprays beschreiben, als auch Überlegungen zur Positionen des aufprallenden Sprays und des Sekundärsprays.German
Uncontrolled Keywords: Spray-Wand-Wechselwirkung, dünner Flüssigkeitsfilm, Phasen-Doppler, Sekundärspray
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Spray-Wand-Wechselwirkung, dünner Flüssigkeitsfilm, Phasen-Doppler, SekundärsprayGerman
spray, spray-wall-interaction, thin liquid film, phase doppler, fluid mechanics, multiphase flow, hydrodynamicsEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:52
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000781
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-7815
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Marengo, Prof. Dr. Marco and Roisman, Dr. Ilia
Advisors: Tropea, Prof. Dr.- Cameran
Refereed: 21 November 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/781
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