Zerstäubungsprozesse

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Manuel Reddemann

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Zerstäubungsprozesse kommen immer dann zum Einsatz, wenn Flüssigkeiten schnell verdunsten, effizient verbrennen oder gleichmäßig auf eine Oberfläche aufgetragen werden sollen. Sie sind unverzichtbar zur Realisierung und Optimierung vielfältiger technischer Anwendungen (u. a. Direkteinspritzung in Verbrennungsmotoren, Abgasnachbehandlung mit Harnstofflösungen, Medizinische Sprays, Nanomaterialsynthese, Luftbefeuchter, Trocknungsanlagen, Turbinen, Tintenstrahldrucker, Lackierung). Dabei tritt Flüssigkeit aufgrund einer treibenden Druckdifferenz durch eine geeignete Düse in eine gasförmige Umgebung ein und zerfällt in Ligamente und Tropfen mit hohem Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis, die direkt oder indirekt miteinander und der Umgebung interagieren. Solche sogenannten Sprühstrahlen erlauben eine signifikante Steigerung der für die jeweilige Anwendung notwendigen Impuls-, Wärme- und Stoffaustauschvorgänge. Der Komplexität und Relevanz von Sprühstrahlen wird am WSA durch eine eigene Forschungsgruppe „Zerstäubungsprozesse“ Rechnung getragen. Sie widmet sich der wissenschaftlichen Analyse von Teilprozessen und physikalischen Mechanismen, die zur Entstehung und Ausbreitung von Sprühstrahlen führen.

 

Aktuelle Projekte

Wir behandeln unterschiedliche industriell und öffentlich geförderte Projekte auf dem Gebiet der Zerstäubung. Die wissenschaftlichen Fragestellungen sind vielfältig. Beispielswiese untersuchen wir den Einfluss von Kraftstoffeigenschaften auf die Ausbildung motorischer Sprühstrahlen im Kontext der Energiewende, die Zerstäubung von Prekursorlösungen zur gezielten Steuerung Sprayflammensynthese von Nanomaterialen oder auch die Wechselwirkung von Stammzellen und Zerstäubungsprozessen im Rahmen der regenerativen Medizin.

 

Liste abgeschlossener Projekte

 

Methoden

Zerstäubungsprozesse Urheberrecht: WSA

Unabhängig von der Anwendung liegt der Fokus der Arbeiten auf einer möglichst umfassenden laseroptischen Charakterisierung der Sprayprozesse: Düseninnenströmung, düsennahe Zerstäubung, Ausbreitung und Verdunstung (Gemischbildung), sowie Spray-Wandfilm-Interaktion. Die dabei zum Einsatz kommenden Düsen sind vielfältig. So werden sowohl Hochdruckzerstäuber (bspw. Diesel- oder Benzindüsen im Rahmen der motorischen Gemischbildung), als auch Niederdruckzerstäuber (bspw. endoskopische Zweistoffdüsen im Rahmen der Lungentherapie) eingesetzt.

Zur laseroptischen Charakterisierung werden unterschiedliche komplementäre Methoden entwickelt und genutzt, die eine Analyse auf makroskopischer und mikroskopischer Ebene erlauben. Dabei sind die Prüfstände gemäß obiger Abbildung stationär installiert um eine stetige Fortentwicklung der jeweiligen Messtechnik zu ermöglichen. Zu den Highlights bzw. Alleinstellungsmerkmalen zählen unter anderem die folgenden Methoden:

  • die Untersuchung düseninterner und externer Strömungsphänomene unter technisch relevanten Bedingungen und für unterschiedliche Kraftstoffe (Flüssig, Flüssiggas) unter Zuhilfenahme eines speziell entwickelten Mikroskopie-Prüfstands bestehend aus
    • einer hochauflösenden Highspeed-Mikroskopie
    • einer Hochdruck-Mikroskopie-Spraykammer,
    • einer modularen Düsenheizvorrichtung zur Kraftstofftemperierung,
    • einem kraftstoffvariablen Einspritzsystem,
    • und transparenten Glasdüsen mit 3D Geometrie.
  • die hochauflösende Quantifizierung von Temperaturfeldern in Mikrotropfen und Flüssigkeitssprays mithilfe der hierfür eigens entwickelten gepulsten und planaren 2-Farben Laserinduzierten Fluoreszenz mit MDR-verstärktem Energietransfer, kurz 2D-2c LIF-EET.
  • die örtliche Auflösung von Konzentrations- und Filmdicken-Fußabdrücken im Rahmen der Spray-Wandfilm-Interaktion mithilfe eines hierfür entwickelten laseroptischen Messsystems, bestehend aus
    • einem Highspeed-Fizeau-Interferometer,
    • einer gepulsten UV-Laserinduzierten Fluoreszenzmethode
    • und einem optisch zugänglichen Hochdruck-Spin-Coater.
  • die örtliche und zeitliche Charakterisierung von Tropfengrößen- und Geschwindigkeitsverteilungen in motorischen und technischen Sprühstrahlen mithilfe
    • einer faserfreien Phasen-Doppler-Anemometrie (DPSS Laser basiert) sowie
    • einer Highspeed-Shadowgraphy Methode inkl. hauseigener Bildauswertung.