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Die Wissenschaft der Tröpfchen

Die Dynamik des Auftreffens von Flüssigkeitstropfen auf festen Oberflächen spielt bei vielen Prozessen wie etwa für das Tintenstrahldrucken und beim Sprühbeschichten eine entscheidende Rolle. Die jüngsten Anstrengungen um mehr Verständnis und somit Kontrolle galten schwerpunktmäßig dem Auftreffen von Tropfen auf trockenen, nicht ebenen Oberflächen.
Die Wissenschaft der Tröpfchen
Das von der EU geförderte NONFLATIMPINGEMENT (Droplet impingement on non-flat surfaces) führte eine numerische Modellierung der Wechselwirkung von Flüssigkeitströpfchen durch, die auf nicht ebenen Oberflächen auftreffen. Diese Forschung repräsentiert einen bedeutenden Fortschritt gegenüber früheren theoretischen und rechnerischen Studien dar, die auf ebenen Flächen begrenzt waren.

Zunächst verwendete das Projektteam das kommerzielle Paket ANSYS Fluent, ein umfassendes CFD-Softwarepaket (Computational Fluid Dynamics; numerische Strömungsmechanik) zur Modellierung der Fluidströmung. Sie wählten die sogenannte Volume-of-Fluid-Methode als das am besten für numerische Simulationen der Tröpfchenströmung zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten geeignete Verfahren aus.

Diese Methode umfasst neben der Advektion einer skalaren Größe mit der Bezeichnung Volumenanteil die Lösung von Navier-Stokes-Gleichungen für sowohl den Masse- als auch den Impulstransport. Mit rechnerischen Simulationen erfasste man das Verhalten an der Fluid-Luft-Grenzfläche unter Einsatz eines Gitterverfeinerungsverfahrens, das genaue Vorhersagen im interessierenden Bereich gestattet.

Während des Projektverlaufs wurden Standardmodelle, die unter den Bedingungen des katalytischen Crackens (Fluid Catalytic Cracking), einem weitverbreiteten Stoffumwandlungsprozess in Erdölraffinerien, anwendbar sind, weiter ausgebaut. Dynamische Kontaktwinkelmodelle sowie das neuentwickelte Benetzungskraftmodell wurden einbezogen, um die numerische Modellierung der Wechselwirkungen zwischen fest und flüssig zu verbessern.

Die Projektwissenschaftler validierten die Robustheit des neuen Ansatzes gegenüber bisher gemeldeten Modellierungsresultaten sowie experimentellen Daten. Jene grundlegenden Mechanismen, welche die Ausbreitungsdynamik des Tröpfchens sowohl über hydrophilen als auch über hydrophoben nicht flachen Oberflächen regeln, wurden ebenso wie die synergistischen Effekte von Verarbeitungsparametern hergeleitet.

Das im Rahmen von NONFLATIMPINGEMENT entwickelte numerische Modell wies nach, dass mit seiner Hilfe reale Phänomene simuliert werden können, und stellt einen Beitrag zur Extraktion von wertvollen Informationen für den Erdölraffineriebetrieb dar. Insbesondere die Umwandlung von hochmolekularen Rohölfraktionen in Benzin und andere Produkte konnte aus den hier gewonnenen Erkenntnissen profitieren.

Verwandte Informationen

Fachgebiete

Scientific Research

Schlüsselwörter

Flüssigkeitströpfchen, Flüssigkeitstropfen, Tropfenschlag, nicht ebene Oberflächen, NONFLATIMPINGEMENT, Erdölraffinerien, Katalyse, FCC
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