DA032 - Lehrstuhl Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe ...

4. Strömungsmischvorgänge - 37 -
hervorgerufen werden. Zusammenfassend bedeutet dies: Je größer die wirkende
Oberflächenspannung ist, desto größer sind die bei der Zerstäubung entstehenden Tropfen.
Mit zunehmender Viskosität steigt die Dämpfung innerhalb der Flüssigkeit.
Flüssigkeiten mit einer höheren Dichte besitzen bei gleichem Volumenstrom eine größere
kinetische Energie. Dies führt theoretisch zur Ausbildung kleinerer Tropfen.
b) Tropfenbildung aus kompakten Flüssigkeitsstrahlen
Der Zerteilungsvorgang eines Flüssigkeitsstrahls, welcher durch eine Bohrung in eine
(ruhende) Umgebung übergeht, lässt sich in vier folgende Bereiche untergliedern.
Abtropfen:
Dies stellt den einfachste Fall der Tropfenbildung dar, und beschreibt das Abtropfen der
Flüssigkeit bei geringen Flüssigkeitsdurchsätzen von einer festen Oberfläche unter Wirkung
der Erdbeschleunigung. Dabei stellt sich zwischen der Kapillar- und der Schwerkraft ein
Gleichgewicht ein, welches den Durchmesser des abschnürenden Tropfens definiert. Infolge
der geringen Deformationsgeschwindigkeit spielt hierbei die Viskosität des verwendeten
Fluids eine untergeordnete Rolle.
Die Tropfengröße (Durchmesser DTropfen) hängt vom benetzten Kapillardurchmesser D0 ab.
Aus dem Kräftegleichgewicht folgt:
D Tropfen
Zertropfen/ Laminarer Strahlzerfall:
⎛ 6D0σ
⎞
= ⎜ ⎟
⎝ ρg
⎠
1/
3
Gl. 4-38
Der Übergang vom Abtropfen zum Zertropfen ist erreicht, wenn die Kontraktions-
geschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls genau der Austrittsgeschwindigkeit entspricht. Durch
Vernachlässigung der Schwerkraft kann die kritische, mit dem Austrittsdurchmesser D0
gebildete Weber-Zahl berechnet werden:
² ⋅ Fluid ⋅ 0
=
= 4
D
w ρ
We
σ
Fluid
Gl.4-39
In der Praxis sind jedoch höhere Austrittsgeschwindigkeiten erforderlich, um an benetzten
Flächen eine Strahlausbildung zu realisieren. Somit folgt: 8 < We < 10.
Bei höheren Ausströmgeschwindigkeiten bilden sich zunächst laminare Flüssigkeitsstrahlen
mit dem Durchmesser D0 heraus. Es bilden sich axialsymmetrische Wellen an der
Oberfläche der Strahlen, welche den Zerfall der Strahlen einleiten. Dieser Zerfall tritt erst in
einiger Entfernung vom Düsenaustritt auf, und wird als Raleighscher Strahlzerfall bezeichnet.