Wirbel um einen Tropfen

News: Wirbel um einen Tropfen

Schwingungen lassen Tropfen schneller verdampfen. Der Effekt ist geringer bei reinen Flüssigkeiten oder Flüssigkeitsgemischen und etwas stärker, wenn es sich um Tropfen eines heterogenen Mediums handelt, also um eine aus unterschiedlichen Komponenten zusammengesetzte Flüssigkeit, eine Emulsion oder Dispersion. Einen sehr viel deutlicheren Einfluß auf die Verdampfungsrate übt jedoch ein Ultraschallfeld aus, das einen Tropfen in der Schwebe hält: es erzeugt Luftströmungen, so daß sich unter- und oberhalb des Tropfenäquators Wirbel bilden. Dies hat sich bei experimentellen Untersuchungen an der Universität Erlangen-Nürnberg ergeben.

Wie die Verdampfung von Tropfen vor sich geht, welche Wechselwirkungen zwischen der Flüssigkeit und dem umgebenden Gas ablaufen, wie Temperatur und Druck sich dabei auswirken und auf welche Weise erwünschte Effekte ausgelöst werden können, ist von Bedeutung für viele technische Prozesse, in denen Tropfensprays eingesetzt werden. Am Erlanger Lehrstuhl für Strömungsmechanik sind seit 1995 im Rahmen eines DFG-geförderten Projekts unter Leitung von Günter Brenn Untersuchungen in Gang, die präzise Daten über solche Vorgänge als Grundlage für möglichst wirklichkeitsgetreue rechnerische Simulationen liefern sollen.

Zu diesem Zweck wurde ein modifizierter akustischer Levitator (Stehwellenpositionierer) verwendet, eine Apparatur, die es erlaubt, Einzeltropfen frei im Raum schweben zu lassen. Mittels Ultraschallwellen werden mehrere Schalldruck-Knoten erzeugt, in deren Nähe der Tropfen gefangen werden kann. Zwei Varianten dieses Geräts machen es möglich, einen Flüssigkeitstropfen sowohl aus radialer als auch aus axialer Richtung mit trockener Luft zu umströmen. Die Verdampfungsrate wird mit Hilfe eines bildverarbeitenden Verfahrens mittels einer CCD-Kamera gemessen. Die Umgebungsluft des Tropfens kann temperiert und gezielt be- oder entfeuchtet werden.

Bei den Versuchen zeigte sich, daß unterhalb und oberhalb des schwebenden Tropfens Wirbel in Form eines Reifens (Torus) entstehen, in denen sich Dampf ansammelt. Die experimentell nachgewiesene Anreicherung des von dem Tropfen stammenden Dampfes wird durch Ventilation der Tropfenumgebung verhindert, so daß es nun möglich ist, die Verdampfung des Tropfens unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen. Zudem wurde entdeckt, daß der Schalldruckpegel während der Tropfenverdampfung nicht konstant bleibt, sondern sich mit kleiner werdendem Tropfenradius vergrößert.

Verliert der Tropfen beim Verdampfen an Gewicht, so steigt er in Richtung Druckknoten nach oben. Darin liegt eine wichtige Meßgröße insbesondere für heterogene Flüssigkeiten. Das Aufsteigen zeigt hier an, daß der Verdampfungsprozeß des Lösungsmittels weitergeht, obwohl sich eine feste Hülle gebildet hat, so daß aus dem (konstanten) Volumen keine Aussage über die Verdampfungsrate mehr abgeleitet werden kann.