Experimentelle Untersuchungen zum Tropfenbildungsprozess an Hohlkegeldüsen
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Beschreibung
Der Betrieb von Hohlkegeldüsen im Bereich des aerodynamischen Zerwellens ermöglicht es, bei moderaten Zerstäubungsdrücken relativ kleine Tropfen mit einer engen Verteilungsbreite zu erzeugen. Die Sprayeigenschaften hängen dabei vom Betriebspunkt, den Flüssigkeitseigenschaften sowie der Düsengeometrie ab. In der vorliegenden Arbeit geht es darum, den Zusammenhang zwischen den genannten Einflussgrößen und der resultierenden Tropfengrößenverteilung näher zu untersuchen. Hierzu wurden zunächst die Ausströmbedingungen der Lamelle aus der Düse betrachtet. Dazu gehören der Düsendurchsatz in Form des Ausflusskoeffizienten, der Sprühwinkel und die Lamellengeschwindigkeit. Des Weiteren wurden die Schwingungseigenschaften der aerodynamisch angefachten Lamelle untersucht. In diesem Zusammenhang kam ein faseroptisches Messsystem zum Einsatz, dessen Anwendung und Optimierung für schnell strömende und dünne Lamellen ein wichtiges Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist. Ferner wurden Tropfengrößenmessungen mit einem Laser-Beugungs-Spektrometer durchgeführt.
Anhand der gewonnenen Messdaten wurden Beziehungen für die Abschätzung des Ausflusskoeffizienten, des Sprühwinkels und des Geschwindigkeitskoeffizienten entwickelt. Ausgehend von diesen Größen wurden neue Berechnungsvorschläge für den Sauterdurchmesser und die Größenverteilungsbreite des Sprays vorgestellt. Eine Analyse der gewonnenen Daten ergab, dass es für eine bestimmte Flüssigkeit und einen vorgegebenen Düsenvordruck stets eine optimale Düsengeometrie gibt, die die kleinsten Tropfen erzeugt. Für möglichst feine Tropfen gilt es eine Düsengeometrie zu wählen, die einen Kompromiss zwischen einem großen Sprühwinkel bzw. einer dünnen Lamelle und einer hohen Lamellengeschwindigkeit repräsentiert. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Lamellenschwingung in den meisten Fällen nicht aus einer "dominierenden" Frequenz besteht, sondern ein Spektrum an Frequenzen beinhaltet. Folglich ist die gängige Vorstellung vom aerodynamischen Zerwellen nur auf sehr eingeschränkte Betriebsbereiche zutreffend. Allerdings konnte auch gezeigt werden, dass eine Tropfengrößen-Abschätzung, die auf den idealisierten Zerfallsmodellen basiert, trotzdem eine zufriedenstellende Genauigkeit aufweisen kann.
Autor*in
Emir Musemic