FWF - Tropfenschwingungen - Experimente, Numerik und Analytik zur Tropfen-Oszillation eines viskoelastischen Fluids

Tropfenschwingungen treten in zahlreichen Produktions- und Energieumwandlungsprozessen auf. Aufgrund anfänglicher Verformungen gegenüber der Kugelgestalt schwingen die Tropfen, so dass sich ihre Oberfläche periodisch vergrößert und verkleinert und Fluidbewegungen induziert werden. Dies kann die Verdunstungsrate der Tropfen und ihren aerodynamischen Widerstand erhöhen und damit die Bewegung und Lebensdauer der Tropfen beeinflussen. Flüssigkeiten im Bio- und Chemieingenieurwesen, z.B. Polymerlösungen in der Sprühtrock-nung und Protein- oder Bakteriensuspensionen in begasten Behältern, können viskoelastisch sein. Im vorliegenden Projekt entwickeln wir ein tiefes Verständnis für die Bewegung in viskoelastischen Tropfen und beschreiben langfristig die daraus resultierenden Oberflächen-transportprozesse. Nichtlineare Deformationen sollen berücksichtigt werden. In dem Projekt werden neue numerische Methoden zur genauen Beschreibung der Tropfenoberfläche entwickelt und das Potential eines schwach nichtlinearen Ansatzes zur Beschrei-bung der nichtlinearen Bewegung untersucht. Die Hypothesen lauten, dass die numerische Methode die Oberfläche genauer als die Zellenauflösung beschreibt und dass der schwach nichtlineare Ansatz den Einfluss der Nichtlinearität auf Transportprozesse genau beschreibt. Die Nichtlinearität ist wesentlich, da die Oszillationsfrequenz mit steigender Amplitude abnimmt und die Zeiten im abgeflachten und gestreckten Zustand der Tropfen nicht mehr gleich sind. Die Kopplung der Moden bei nichtlinearer Bewegung ist zentral für das Abklingverhalten der Oszillationen. Dieses Ergebnis wird ein zentraler Testfall für die Numerik sein. Die analytischen und numerischen Ergebnisse werden mit dem Experiment an schwingenden Einzeltropfen verglichen. Dafür liefert das Experiment sowohl Daten über die Oszillationsfre-quenz, Tropfenform etc., als auch Stoffeigenschaften. Lineare gedämpfte Tropfenschwin-gungen werden selbst zur Messung eines charakteristischen Zeitmaßes der viskoelastischen Flüssigkeit eingesetzt, das für die Simulationen gebraucht wird. Der vorliegende Antrag ist der erste Teil eines zweiteiligen Projekts, in dessen zweitem Teil Masse- und Energietransport über die Tropfenoberfläche untersucht werden sollen. Dies sind Vorgänge an nicht-materiellen Oberflächen, mit neuen numerischen und experimentellen Herausforderungen, die für die Anwendung zentrale Schlüsselprozesse sind.