Untersuchung zum Einfluss der Düseninnenströmung auf die Stabilität von flächigen Flüssigkeitsstrahlen

Das Verständnis über die Stabilität und den Zerfall von durch Düsen erzeugten Flüssigkeitsstrahlen und Filmen ist für die Beeinflussung vieler technischer Prozesse von maßgeblicher Bedeutung. Die Kraftstoffverbrennung in Motoren und die Sprühtrocknung im Bereich der Nahrungsmittelproduktion sind dabei zwei der bedeutendsten Anwendungen. Die Kenntnis über die, den Zerfall beeinflussenden, Faktoren und Mechanismen sind weitreichend, wenngleich auch nicht abschließend geklärt. Aufgrund der kleinen Abmessungen, die im Zusammenhang mit Zerstäuberdüsen auftreten, ist gerade der Einfluss der Düseninnenströmung auf die Stabilität der Strahlen messtechnisch kaum erfasst und auch wenig verstanden.

Aus dieser Problematik leitet sich die Zielstellung dieser Arbeit ab. Das in der Strömungsmesstechnik vielfach angewandte Laser-Doppler-Verfahren wird dahingehend optimiert, dass mit ihm räumlich aufgelöste Geschwindigkeitsmessungen in für Zerstäuberdüsen üblichen Abmessungen von etwa 500µm Kanalhöhe durchgeführt werden können. Die Parameter, die zur Beschreibung der Strömung bestimmt werden, sind der Turbulenzgrad und die Dicke der Grenzschicht, die sich über die Länge des Düsenkanals entwickelt, wobei die mit dem Laser-Doppler erreichte räumliche Auflösung etwa 22µm beträgt.

Auf dieser Basis werden an verschiedenen Flachstrahldüsen, mit jeweils unterschiedlicher Innengeometrie, Untersuchungen hinsichtlich ihrer Strömungscharakteristika durchgeführt. Daneben erfolgt eine eingehende Beschreibung der an den erzeugten Flüssigkeitsfilmen zu beobachtenden Störungen und Zerfallsmechanismen, mit der Zielstellung, die veränderten Stabilitätsbedingungen auf die Strömungsparameter der Innenströmung zurückzuführen. Zur Deutung der gefundenen Ergebnisse wird ein Vergleich zur linearen Stabilitätstheorie herangezogen und auf Literaturwerte aus einer direkten numerischen Simulation zurückgegriffen.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Existenz einer ausgebildeten Grenzschicht am Beginn des erzeugten Flüssigkeitsfilms entscheidend zu dessen Destabilisierung beiträgt. Die gefundenen Längen der Störungswellen können durch die lineare Theorie nicht wiedergegeben werden, folgen aber qualitativ den Vorhersagen. Das zusätzliche Auftreten turbulenter Schwankungen verringert das Wachstum der beobachteten Störungen und trägt zur Stabilisierung des Films bei. Dieser Einfluss kann im Rahmen der linearen Stabilitätstheorie durch eine Erhöhung der effektiven Zähigkeit gedeutet werden. Gleichzeitig mit der Zunahme des Turbulenzgrades geht eine diffuse Aufrauhung der Oberfläche einher, die in den turbulenten Normalspannungen begründet ist. Bei genügend starken Schwankungsbewegungen kommt es zur lokalen Ablösung einzelner Flüssigkeitselemente, die in der Folge zum sukzessiven Zerfall des Films führen. Dementsprechend muss der Einfluss der Turbulenz zum einen in einer globalen Stabilisierung des Films gesehen werden, andererseits führt sie zu dessen lokaler Zerstörung. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten gerade für eine erweiterte Modellbildung des bislang nur mangelhaft beschriebenen Vorganges der direkten Zerstäubung dienlich sein.