Experimentelle und numerische Untersuchung der Tropfenbewegung unter Einfluss von äußeren Kräften
Thomas Maurer
Die Untersuchung einer Tropfenbewegung, die durch den Einfluss äußerer Kräfte ausgelöst wird, ist von hohem wissenschaftlichen Interesse, welches insbesondere durch die praktische Relevanz (im Bereich der Sensorik und Mikrofluidik) und der damit verbundenen Erkenntnisse motiviert ist.
Die vorliegende Arbeit thematisiert die Einwirkung der Anströmungs-, Vibrations-, und Gravitationskraft auf die Tropfenbewegung, wobei die durchgeführten Untersuchungen eine experimentelle und eine numerische Analyse umfassen.
Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wird ein Strömungsfeld mit einer Vibration überlagert und der Einfluss dieser Überlagerung auf die Tropfenbewegung analysiert. Zur Realisierung der Superposition wird ein Versuchsstand entworfen und umgesetzt, der die separate Aufprägung von Anströmung und Vibration sowie die Kombination beider Einflussgrößen ermöglicht.
Im Fokus der numerischen Untersuchung steht die Modellbildung und numerische Umsetzung der Kontaktwinkelhysterese (Tropfenhaftung) und ein Vergleich der simulierten Werte mit den Resultaten aus der experimentellen Untersuchung. Die zur numerischen Simulation des Haftmodells benötigten Input- und Validierungsparameter werden auf Basis eines experimentellen Neigeversuchs ermittelt.
Die Ergebnisse aus den numerischen Simulationen zeigen eine hohe Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Resultaten. Zum einen kann eine große Ähnlichkeit zwischen den jeweiligen Tropfenkonturen beobachtet werden. Zum anderen ergibt sich im Durchschnitt über alle Simulationsläufe eine geringe relative Abweichung zwischen den experimentell und numerisch ermittelten kritischen Geschwindigkeiten, bei welchen eine globale Tropfenbewegung erkennbar ist.
