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Themengebiet: Tropfendynamik
Thema: Ausbreitung und Zerstäubung von Tropfen auf festen Oberflächen

Die Bilder zeigen den Aufprall von Tropfen auf eine Glasplatte. Durch homogene Hintergrundbelichtung ist der Schattenriss der Tropfen sichtbar gemacht. Die linke Bildserie zeigt Tropfen von der Seite – die rechte Bildserie durch die Glasplatte hindurch. Der Tropfendurchmesser beträgt zwischen 2 und 4 mm – die Aufprallgeschwindigkeit zwischen 2 und 8 m/s. Durch Mehrfachbelichtungen wird jeweils am Schluss der gesamte Ablauf sichtbar.

Was man nicht sieht: Die Untersuchungen sind mit hydrophobierten Oberflächen durchgeführt – erschütterungsarm während der Nacht. Die Aufprallgeschwindigkeit wird durch veränderte Fallhöhen variiert. Als Hintergrundbeleuchtung dient der optisch vergrößerte Ausgang eines Lichtleiters von einer LED. Die Aufnahmen erfolgen über ein CCD. Durch Kalibration der LED-Lichtblitze und der CCD-Bildauflösung werden die Trajektorien der Schattenaufnahmen erstellt. Durch Zugabe von Glyzerin wird die Viskosität von Wasser zwischen 1 und 20 mPas variiert – bei etwa gleicher Oberflächenspannung.

Was man erkennt: Die Tropfenflüssigkeit breitet sich radial um den Auftreffpunkt in einer dünnen Schicht (Lamelle) aus. Der oberste Punkt (Apex) des Tropfens wird dabei kaum gebremst, so dass zu Beginn das Lamellenvolumen dem Tropfenzufluss entsprechen muss. Die Ausbreitung der Lamelle kommt abrupt zum Erliegen, wenn sich vom Rand aus Oberflächenwellen auf der Flüssigkeit ausbreiten können. Dann ist die potenzielle Energie der Oberfläche größer als die kinetische Energie der Strömung. Die Ausbreitung dauert etwa 1 Millisekunde. Danach schrumpft die benetzte Fläche innerhalb etwa einer Sekunde, bis der Tropfen ein Gleichgewicht von Schwere und Oberflächenspannung erreicht hat. Am Rand der Lamelle erscheint bei der Ausbreitung eine Kräuselung. Diese ist bereits zu Beginn der Ausbreitung vorhanden und bleibt in azimutaler Anordnung konstant – daher der sternförmige Anschein in der Mehrfachbelichtung. Eine Fourieranalyse des Lamellenrands zeigt, dass die Kräuselung eine eindeutige Periodizität aufweist. Die Variation der dynamischen Parameter zeigt, dass sie mit der Weberzahl des aufprallenden Tropfens korreliert. Vermutet wird aufgrund der starken Umlenkung der Tropfenströmung bei Aufprall eine Entstehung von Görtler-Wirbeln, die am Rand als Kräuselung sichtbar wird. Mikrotropfen bilden sich, wenn die Lamelle von der Glasplatte abhebt und dieser Rand zerplatzt. Dies kann auch in mehreren aufeinanderfolgenden Kaskaden geschehen. Das Abheben des Randes – und der Anteil zerstäubter Tropfenflüssigkeit – erfolgt bei höherer Viskosität deutlich früher. Allerdings bilden sich dann deutlich größere Sekundärtropfen, d.h. geringere Feinheit der Zerstäubung bei größerem Zerstäubungsgrad.

Was man damit macht: Die Beschreibung der hydraulischen Verformung von Tropfen – und unterschiedlichen Phasen der Energieumwandlung – dienen dem besseren Verständnis und der Optimierung von Benetzungsprozessen sowie der Durchführung entsprechender Simulationen. Die Phänomene der Prallzerstäubung sind wichtig für die Klärung von Prozessen, wie die Regen-Erosion oder die Lackierung.

Meine Veröffentlichungen dazu:

Etalement et éclatement de gouttes Thèse de doctorat,  université Pierre et Marie Curie – Paris 6 (1990)

Splashing of drops Archives of Mechanics – Archiwum Mechaniki Stosowanej, No. 4-5/90 (1990) mit Lasek, A.

Inertial spreading of drops Fundamentals of Fluid Transport in Porous Media, Arles, France, (1990) mit Lasek, A. 

The influence of viscosity on splashing of drops Proceedings ‘1st European Fluid Mechanics Conference’, Cambridge UK (1991) mit Lasek, A.

Perturbations au pourtour d’une goutte en étalement 5ème colloque national ‘visualisation et traitement d’images en mècanique des fluides’, Poitier, France, sélection d’articles 2, 239-43 (1992) mit Bartels, H.H.; Feuillebois, F.; Lasek, A.

Aufprall von Tropfen auf feste Oberflächen  Spektrum der Wissenschaft, Nr. 8, 29-31(1996)