Der Tropfenaufprall auf beheizte Wände ist ein wichtiger Prozess in vielen industriellen Anwendungen, wie bspw. bei der Kraftstoffeinspritzung von Verbrennungsmotoren und Gasturbinen, sowie ist ein grundlegender Bestandteil der Sprühkühlungstechnologie. Die Sprühkühlung ist eine sehr bedeutende Technik zur Kühlung von Materialien mit sehr hohen Wärmestromdichten und übertrifft alle herkömmlichen Kühlmethoden. Dies ist besonders in der Metallverarbeitung oder der Kühlung von Elektronikkomponenten von großer Bedeutung. Die Wirksamkeit der Sprühkühlung wird durch eine Vielzahl von Parametern beeinflusst, darunter Sprühparameter wie Tropfengröße, Geschwindigkeit und Anzahldichte, die Oberflächenmorphologie, aber auch der Temperaturbereich und die thermischen Eigenschaften der beteiligten Materialien. In der Tat kann die Temperatur des Substrats einen signifikanten Einfluss auf die Hydrodynamik des Tropfen- und Sprayaufpralls haben. Daher ist dieser Prozess äußerst komplex und aktuelle Modellierungsansätze sind weitestgehend empirischer Natur.

In der vorliegenden Arbeit wird der Einzeltropfenaufprall als zentrales Element des Sprayaufpralls für verschiedene thermodynamische und hydrodynamische Randbedingungen experimentell untersucht. Das Verständnis des Einzeltropfenaufpralls ist eine wichtige und notwendige Vorarbeit bei der Beschreibung und Modellierung des Sprayaufpralls auf eine beheizte Wand. Die beobachteten Ergebnisse des Einzeltropfenaufpralls werden für verschiedene Aufprallbedingungen gemäß der bekannten Wärmeübertragungsregime klassifiziert: Reine Konvektion, Blasensieden, Übergangssieden und Filmsieden. Beobachtungen aus der vorliegenden Arbeit ergänzen zusätzlich das Regime "Thermal Atomization". Dieses Regime ist durch die Entnetzung des Tropfens gekennzeichnet, welche durch thermische Effekte verursacht wird und zu einer intensiven Verdampfung, sowie einer feinen Sekundärzerstäubung führt.

Für die beschriebenen Wärmeübertragungsregime werden weiterführend theoretische Modelle entwickelt, um die an dem Tropfenaufprall beteiligten Einflussgrößen zu quantifizieren. Die Modelle erlauben die Bestimmung der Wärmeströme vom heißen Substrat auf den aufprallenden Tropfen, die typische Zeit des Tropfenkontakts, sowie die Charakteristika des Sekundärsprays. Diese Kenngrößen sind für die Sprühkühlung von größter Wichtigkeit, da sie zur Bestimmung eines optimalen Sprays verwendet werden können. Die theoretischen Modelle berücksichtigen die zugrunde liegenden physikalischen Phänomene und werden mit existierenden Daten validiert. Schlussendlich werden die Erkenntnisse des Einzeltropfenaufpralls für die Entwicklung eines theoretischen Modells des Wärmeübertragungskoeffizienten für die Sprühkühlung im Filmsiedeverfahren verwendet. Das Modell erfasst den Einfluss der Parameter des Sprays und berücksichtigt die Wahrscheinlichkeit von Tropfeninteraktionen auf der Wand, wenn die Dichte der Tropfen im Spray hoch ist. Ein Vergleich mit vorhandenen experimentellen Daten zeigt eine gute Übereinstimmung mit dem entwickelten Modell.