Numerical Simulation of Complex Wetting

Many multiphase-flows are governed by capillarity and wettability such as spray painting and ink-jet printing applications, cooling devices of small scaled microchips and inside internal combustion engines referring to the fuel injection. The contact angle is a decisive parameter when such a system is analyzed. If the contact angle is in the bounds of the hysteresis, the contact line is pinned (immobile). An accurate numerical simulation is not trivial because of the contact line singularity, a good measure of the contact line velocity as well as the realization of pinning. In this study, the implementation of the dynamic contact angle is extended, accounting for contact line pinning as well as the dynamic behavior in the advancing and receding phase. In short, the whole contact angle hysteresis is realized. The implementation has been validated by considering the cases of a drop impact on a horizontal surface, the simulation of drops on inclined surfaces and drops exposed to a shear flow. Moreover, the wetting of geometrically complex surfaces has been investigated and an approach for the modeling of the geometrical influence on a flat wall by a boundary condition is presented.

Viele Mehrphasenströmungen mit einer Phasengrenzfläche werden durch die Kapillarkräfte und die Benetzbarkeit beschrieben. Beispiele dafür finden sich in der Tintenstrahldruckertechnolgie, der Kühlung von kleinskaligen Bauteilen wie Mikroprozessoren und in Verbrennungskraftmaschinen beim Aufprall des Treibstoffs auf die Zylinderwände. Für die Analyse solcher Systeme ist der Kontaktwinkel ein entscheidender Parameter. Ist dieser innerhalb der Hysterese, bleibt die Kontaktlinie immobil (gepinnt). Wird die Hysterese überschritten, ändert sich der Kontaktwinkel dynamisch in Abhängigkeit der Kontaktliniengeschwindigkeit. Die genaue numerische Simulation solcher Fälle ist nicht trivial, da unter anderem die Kontaktliniensingularität berücksichtigt, eine gute Beschreibung der Kontaktliniengeschwindigkeit gefunden sowie der Effekt des Pinnings realisiert werden muss. In dieser Arbeit wird die bisherige dynamische Kontaktwinkelmodellierung erweitert um zusätzlich zur dynamischen Änderung des Kontaktwinkels auch das Pinning der Kontaktlinie zu berücksichtigen. Somit ist die komplette Kontaktwinkelhysterese beschrieben. Die Implementierung wurde für verschiedene Fälle validiert: Tropfenaufprall auf horizontale trockene Oberflächen, Tropfen auf einer schiefen Ebene und Tropfen unter dem Einfluss einer Querströmung. Darüber hinaus wurde die Benetzbarkeit geometrisch komplexer Oberflächen untersucht und ein Ansatz zur Modellierung des geometrischen Einflusses allein durch eine Randbedingung auf einer glatten Wand vorgeschlagen.