On the Impact of High-Speed Drops on Dry and Wetted Surfaces
This thesis focuses on the high-speed impact of liquid drops on dry smooth surfaces and thin liquid films in the presence of a strong gas flow using experimental and numerical methods. A flywheel experiment was designed to study such challenging conditions by analyzing the impact with different drop diameters, velocities, liquids and gas mixtures. A sophisticated algorithm was also developed for image analysis and to handle a large number of experimental data. Selected experimental cases were complemented with numerical simulations, which provided insights on the flow around and inside the impacting drop.
The results of the drop impact on dry surfaces indicate that the splashing scenario depends strongly on the physical properties of the liquids and not on the surrounding gas or the kinematic impact conditions. It was also demonstrated that the mechanism of gas entrapment at the early stage of the impact is not responsible for the splashing of drops; however, the physical properties of the surrounding gas influenced the spreading lamella and the ejection of secondary droplets. The results demonstrated that the prompt splash is indeed well described by the Rayleigh-Taylor instability in the spreading lamella.
The drop impact on wetted surfaces always generates a chaotic and thin corona, which bends and deforms itself during the entire splashing process. Contrary to the splashing on dry surfaces, the break-up of the corona can be attributed to at least three different instabilities: rim-bending, Rayleigh-Taylor, and Rayleigh-Plateau instabilities. Those instabilities generate a host of small secondary droplets in a wide range of sizes and velocities. It was found that the thin ejected corona leads to hole formation and the eventual detachment from its base at the last stage of impact. The thickness of the corona was also estimated using two different theoretical methods.
The outcome of high-speed impact on dry and wetted surfaces were quantified in this thesis. The results of the theoretical, experimental, and numerical analyses were combined to describe completely the formation of the secondary droplets. The presented methods allow the prediction of the splashing phenomenon for a drop impacting dry or wetted surfaces at low and high speed.
In dieser Studie wurde der Aufprall von Flüssigkeitstropfen bei hohen Geschwindigkeiten auf glatte trockene und benetzte Oberflächen mit experimentellen und numerischen Methoden untersucht. Dafür wurde ein Schwungrad-Experiment entwickelt, mit dem der Tropfenaufprall mit verschiedenen Durchmessern, Aufprallgeschwindigkeiten, Flüssigkeiten und Gasgemischen analysiert werden konnte. Ausgewählte experimentelle Fälle wurden durch numerische Simulationen ergänzt, welche einen tieferen Einblick in die Strömung um und innerhalb des aufprallenden Tropfens ermöglichten.
Die Ergebnisse des Tropfenaufpralls auf trockenen Oberflächen deuten darauf hin, dass das Zerspritzen-Szenario stark von den physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeiten und nicht von dem umgebenden Gas oder den kinematischen Aufprallbedingungen abhängt. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass der Mechanismus des Gaseinschlusses in der frühen Phase des Aufpralls nicht für das Zerspritzen der Tropfen verantwortlich ist. Jedoch haben die physikalischen Eigenschaften des umgebenden Gases einen Einfluss auf die Entstehung von Sekundärtropfen. Mittels einer theoretischen Analyse konnte bewiesen werden, dass das Prompt-Zerspritzen durch die Rayleigh-Taylor-Instabilität in der Flüssigkeitslamelle beschrieben werden kann.
Der Tropfenaufprall auf benetzte Oberflächen erzeugt immer eine Korona, die sich während des gesamten Zerspritzenvorgangs verbiegt und verformt. Im Gegensatz zum Zerspritzen auf trockene Oberflächen kann der Zerfall der Korona auf mindestens drei verschiedene Instabilitäten zurückgeführt werden: Biege-, Rayleigh-Taylor- und Rayleigh-Plateau-Instabilitäten. Diese Instabilitäten erzeugen viele Sekundärtropfen in einem weiten Bereich von Größen und Geschwindigkeiten. Es konnte festgestellt werden, dass die ausbreitende Korona in der letzten Phase des Aufpralls zur Lochbildung und Ablösung führt. Anhang zweier theoretischer Methoden konnte die Dicke der Korona abgeschätzt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Sekundärtropfen beim Tropfenaufprall auf trockene und benetzte Oberflächen quantifiziert. Die Ergebnisse aus den theoretischen, experimentellen und numerischen Analysen konnten vereint werden, um die Entstehung der Sekundärtropfen vollständig zu beschreiben. Die vorgestellten Methoden ermöglichen die Vorhersage des Zerspritzen-Phänomens für einen Tropfen, der mit niedriger und hoher Geschwindigkeit auf trockene oder benetzte Oberfläche aufprallt.
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