Seit mehr als einem Jahrhundert ist ein wachsendes wissenschaftliches Interesse an Tropfen und den Vorgängen bei deren Aufprall auf die verschiedensten Substrate zu verzeichnen, wohl auch durch die Fotografien von Worthington (1908) ausgelöst. Inzwischen wurden viele Erkenntnisse durch große Fortschritte bei der experimentellen Untersuchung (z.B. mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen) und durch theoretische und computergestützte Untersuchung (z.B. durch skalenfreie und numerische Modellierung) gewonnen. Trotzdem bleibt durch die Vielfältigkeit und Komplexität der Phänomene während des Tropfenaufpralls sowie wegen der ständig erweiterten Anwendungsbereiche dieses Forschungsgebiet hochaktuell. Insbesondere sehr kleine und gleichzeitig sehr schnelle Tropfen (Tropfendurchmesser 10µm bis 100µm, Tropfengeschwindigkeit 10m/s bis 100m/s) kommen in vielen modernen Anwendungen vor (z.B. Verbrennungsmotoren, Tintenstrahldrucker, Reinigung von Oberflächen). In diesem wichtigen, aber für Untersuchungen schwer zugänglichen Parameterbereich gibt es immer noch offene Fragen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit diesen schnellen Mikrotropfen in Bezug auf ihre Herstellung und den Aufprallvorgang auf ein festes, trockenes oder benetztes Substrat. Zunächst wird eine Methode zur Erzeugung eines Hochgeschwindigkeitssprays realisiert, welche auf dem durch Ultraschall gesteuerten Plateau-Rayleigh-Zerfall eines Flüssigkeitsstrahls beruht. Sie ermöglicht es, sowohl Tropfengröße als auch –geschwindigkeit präzise und mit hoher Reproduzierbarkeit über den gesamten oben angegebenen Parameterbereich einzustellen. Durch gezielte Manipulation eines Einzeltropfens durch elektrische Felder wird anschließend der Tropfenaufprall auf Substrate unterschiedlicher Benetzbarkeit mit sehr hoher zeitlicher Auflösung (ca. 100 Mio. Bilder pro Sekunde) bei gleichzeitig hoher räumlicher Auflösung (< 1µm) untersucht. Es zeigt sich, dass bekannte Modelle für langsamere und größere Tropfen im Millimeterbereich auch für schnelle Mikrotropfen Gültigkeit behalten. Somit ist bei gleichen dimensionslosen Kennzahlen (z.B. Reynolds-Zahl, Weber-Zahl, Ohnesorge-Zahl) eine skalenfreie Beschreibung des Tropfenaufpralls möglich. Schließlich wird die Methode zur Tropfenerzeugung auf einen für Anwendungen in der Reinigung relevanten Fall übertragen. Hierbei geht es um den Tropfenaufprall auf ein von einem Flüssigkeitsfilm überströmten Substrat. Es werden die während des Auftreffvorgangs auftretenden Geschwindigkeiten in der sich bildenden radialen Strömung in Abhängigkeit von verschiedenen Prozessparametern bestimmt. Aus den Ergebnissen lassen sich Aussagen über die zu erwartende Reinigungswirkung durch derartige Tropfen und den Einfluss der Prozessparameter treffen.

The present research is an experimental investigation of the atomization of a superheated pressurized liquid jet that is exposed to the ambient pressure due to a sudden depressurization. This phenomena is called flashing and occurs in several industrial environments.<p><p>Liquid flashing phenomena holds an interest in many areas of science and engineering. Typical examples one can mention: a) the accidental release of flammable and toxic pressure-liquefied gases in chemical and nuclear industry; the failure of a vessel or pipe in the form of a small hole results in the formation of a two-phase jet containing a mixture of liquid droplets and vapor, b) atomisation improvement in the fuel injector technology, c) flashing mechanism occurrence in expansion devices of refrigerator cycles etc. The interest in flashing events is especially true in the safety field where any unexpected event is undesirable. In case of an accident, flammable or toxic gas clouds are anticipated in close regions of the release because of the sudden phase change .Due to the non-equilibrium nature of the flow in these near field regions, conducting accurate data measurements for droplet size and velocity is a challenging task resulting in scarce data in the very close area.<p><p>This research has been carried out at the von Karman Institute (VKI) within the 5th framework of European Commission to fulfill the goal of understanding of source processes in flashing liquids in accidental releases. The program is carried out under name of FLIE (Flashing Liquids in Industrial Environments)(Contract no: EVG1-CT-2000-00025). The specific issues that are presented in this thesis study are the following:a) a comprehensive state of art of the jet break up patterns, spray characteristics and studies related to flashing phenomena; b)flashing jet breakup patterns and accurate characterization of the atomized jet such as droplet diameter size, velocity and temperature evolution through carefully designed laboratory-scale experiments; c) the influence of the initial storage conditions on the final atomized jet; d) a physical model on the droplet transformation and rapid evaporation in aerosol jets.<p><p>In order to characterize the atomization of the superheated liquid jet, laser-based optical techniques like Particle Image Velocimetry (PIV), Phase Doppler Anemometry (PDA) are used to obtain information for particle diameter and velocity evolution at various axial and radial distances. Moreover, a high-speed video photography presents the possibility to understand the break-up pattern changes of the simulating liquid namely R-134A jet in function of driving pressure, superheat and discharge nozzle characteristics. Global temperature measurements with an intrusive technique such as thermocouples, non-intrusive measurements with Infrared Thermography are performed. Cases for different initial pressures, temperatures, orifice diameters and length-to-diameter ratios are studied. The break-up patterns, the evolution of the mean droplet size, velocity, RMS, turbulence<p>intensity and temperature along the radial and axial directions are presented in function of initial parameters. Highly populated drop size and velocity count distributions are provided. Among the initial storage conditions, superheat effect is found to be very important in providing small droplets. A 1-D analytical rapid evaporation model is developed in order to explain the strong temperature decrease during the measurements. A sensitivity analysis of this model is provided.<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished