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Aerodynamically driven wall-bounded drop motion and rivulet formation

Seiler, Patrick M. :
Aerodynamically driven wall-bounded drop motion and rivulet formation.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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201907_Dissertation_Seiler.pdf - Accepted Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Aerodynamically driven wall-bounded drop motion and rivulet formation
Language: English
Abstract:

Aerodynamically driven wall-bounded drop motion and rivulet formation are two specific cases of gas-liquid flows involving surfaces. These multiphase flows are relevant in many fields, e.g. process engineering, printing, ice accretion, car soiling and exterior water management on vehicles. As the basic physics of these flow phenomena are not entirely understood, further experimental and numerical research is desirable. The present study approaches the topic using generic experiments performed in a wind tunnel. The wind tunnel provides a fully turbulent, two-dimensional channel flow with optical access throughout the test section.

In the first set of experiments single water drops with varying volumes on four different substrates are exposed to the flow in the test section. For a constant gas flow velocity a constant drop motion is observed. The motion is mainly governed by the pressure (drag) induced by the gas flow, by surface tension and the capillary forces associated with the substrate contact angle hysteresis. An appropriate scaling has been found to describe the dimensionless drop velocity (capillary number) in terms of a dimensionless flow attack velocity, taking into account the surface wetting properties. The model allows for the prediction of capillary numbers from the attack velocity and it agrees very well with the experimental observations.

A detailed analysis of slow, constantly in a stick-slip manner, moving drops is used to investigate the critical contact angle for moving contact lines.

The second set of experiments investigates the interaction between drops and grooves of variable width. A model predicting whether a drop is absorbed by the groove or passes over the groove is presented.

The final experiments investigate rivulet formation. Through bore holes in the previously used substrates a constant liquid volume flow is injected. For each substrate different behavioral regimes of the resulting rivulets are mapped and described.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Durch aerodynamische Kräfte angetriebene, wandgebundene Tropfenbewegung und Rinnsalbildung sind zwei spezifische Arten von Gas-Flüssigkeits- strömungen, bei denen feste Oberflächen involviert sind. Sie spielen in vielen Bereichen eine Rolle, z.B. in der Verfahrenstechnik, im Druckwesen, der Vereisung, der Verschmutzung oder dem Wassermanagement von Fahrzeugoberflächen. Da die zugrundeliegende Physik dieser Strömungen nicht vollständig verstanden ist, bedarf es weiterer experimenteller und numerischer Forschung. Die vorliegende Studie nähert sich dieser Thematik unter Zuhilfenahme eines Windkanals mit einer vollausgeprägten, turbulenten Kanalströmung, dessen Messtrecke optisch zugänglich ist, an. Zuerst werden einzelne Wassertropfen mit verschiedenen Volumina auf vier verschiedenen Oberflächen untersucht. Bei einer konstanten Gasströmungs- und Tropfengeschwindigkeit unterliegt die Bewegung hauptsächlich dem Strömungswiederstand des Tropfens, der Oberflächenspannung und den Kapillarkräften an der Oberfläche, welche in Form der Kontaktwinkelhysterese in Erscheinung treten. Für dieses System wird mit der dimensionslosen Angriffsgeschwindigkeit und der Kapillarzahl eine geeignete Normierung eingeführt. Aufbauend auf diesen beiden Größen wird ein Modell eingeführt, mit dem sich die Tropfengeschwindigkeit vorhersagen lässt. Eine weiterführende Untersuchung von intermittierend haftenden Tropfen betrachtet den kritischen Kontaktwinkel, bei denen die Kontaktlinienbewegung einsetzt. Aufbauend auf der Geschwindigkeitsmodellierung wird die Interaktion zwischen Tropfen und einem Einzelspalt variabler Weite untersucht. Passende Normierungen und Nomogramme für die Absorption oder das Überspringen des Spaltes werden vorgestellt. Abschließend wird die Rinnsalbildung auf verschiedenen Oberflächen und Gas- sowie Flüssigkeitsvolumenströmen untersucht. Die Verhaltensmuster der Rinnsale werden dargelegt, in Regimekarten zusammengetragen und verglichen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA) > Dynamics of drops and sprays
Date Deposited: 06 Aug 2019 13:07
Last Modified: 06 Aug 2019 13:07
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-82684
Referees: Tropea, Prof. Cameron and Butt, Prof. Hans-Jürgen and Roisman, Apl. Prof. Ilia
Refereed: 3 July 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8268
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