Bernhard Weigand

- Die Kraftstoffeinspritzung und die Verbrennung in Motoren von Kraftfahrzeu-
gen und Flugzeugen, wie z. B. der Zerfall des eingespritzten Kraftstoffstrahls
und die Interaktion von Kraftstofftropfen mit den Wänden.
Auch bei vielen Prozessen in unserem täglichen Leben begegnen uns tropfendy-
namische Prozesse, z. B. wenn wir an einen regnerischen Tag spazieren gehen und
auf der Straße das Auftreffen der Tropfen auf den nassen Boden beobachten oder
wenn wir unseren Inhalator benutzen und ein fein verteiltes Tropfenspray tief in
unsere Lunge einbringen.
Die oben angegebenen Beispiele beinhalten sehr viele Tropfen und vielfach
betrachtet man nur den Gesamtprozess, wie z. B. die gesamte Niederschlagsmen-
ge. Dadurch verliert man aber den Blick für die zugrundeliegenden Einzelpro-
zesse, weshalb viele Beschreibungen nur eingeschränkt gültig sind. Heutzutage
ist es möglich, mit numerischen und experimentellen Methoden auch diese De-
tailprozesse genauer zu betrachten. Dies setzt auf der einen Seite hochauflösende
Messtechnik voraus, die diese Detailprozesse auflösen kann. Auf der anderen Seite
benötigt man sehr detaillierte numerische Methoden.
Tropfendynamische Prozesse sind äußerst kompliziert und die numerische
Berechnung von Mehrphasenströmungen ist generell schwierig. Deshalb wird
vielfach eine große Anzahl von Annahmen und Vereinfachungen gemacht, um sol-
che Prozesse zu berechnen. Am Institut für Thermodynamik der Luft- und Raum-
fahrt (ITLR) wird seit rund 25 Jahren das Programm FS3D (Free Surface 3D)
für solche grundlegenden Tropfeninteraktionsprozesse entwickelt. Das Programm
basiert auf der Direkten Numerischen Simulation (DNS) von Mehrphasenströ-
mungen. Es werden also keine einschränkenden Modelle für die Mehrphasen-
strömungen benötigt. Das heißt, dass alle relevanten Vorgänge aufgelöst werden
können. Dies bedeutet allerdings auch einen erheblichen numerischen Aufwand,
so dass die Rechnungen praktisch nur auf Supercomputern, wie z. B. am HLRS in
Stuttgart, durchgeführt werden können. Hierbei können Rechnungen mit mehr
als einer Milliarde Gitterzellen durchgeführt werden.
Als Ergebnis der detaillierten numerischen und experimentellen Untersu-
chung der Detailprozesse erhält man ein vertieftes Verständnis dieser Prozesse.
Hieraus lassen sich später geeignete Modelle entwickeln, mit denen man dann die
sehr komplizierten Gesamtprozesse mit erhöhter Genauigkeit modellieren und
Vorhersagen kann.
Anhand einer Auswahl verschiedener Beispiele wurde im Vortrag gezeigt, mit
welcher Genauigkeit man heute in der Lage ist, solche Detailprozesse von Tropfen
vorherzusagen.
Abbildung 1 zeigt einen Vergleich der Kronenbildung bei dem Auftreffen ei-
nes Tropfens auf einen dünnen Flüssigkeitsfilm. Die Bilder zeigen die Kronenbil-
dung für zwei verschiedene Zeitpunkte. Jeweils links sind numerische Ergebnisse

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