Stabilität und Zerfall dünner, radial expandierender Flüssigkeitsfilme

Filmbildenden Zerstäuber werden in vielen technischen Anwendungen eingesetzt. Vereinfachte analytische Modelle stellen dabei ein interessantes Werkzeug zur Optimierung bestehender und der Entwicklung neuer Zerstäubungskonzepte dar. In der vorliegenden Arbeit wird das Verhalten freier, radial expandierender und mechanisch angeregter dünner Flüssigkeitsfilme untersucht, die als Grenzfall von Fächerstrahldüsen von grundlegender Bedeutung sind. Die Untersuchung erfolgt mittels experimenteller und numerischer Methoden. Aufgrund ihrer vergleichsweise einfachen Geometrie existiert bereits eine Vielzahl von Publikationen, die sich mit freien Radialfilmen und den darauf auftretenden Kapillarwellen

befassen. Ein besonderer Fokus wird im Rahmen dieser Arbeit auf die linearen Theorien von Bremond et al. (2007) und Tirumkudulu u. Paramati (2013) gelegt, die unterschiedliche Vorhersagen über das Stabilitätsverhalten von radial expandierenden, sinusförmig angeregten freien Flüssigkeitsfilmen treffen. Für experimentelle Untersuchungen wird in dieser Arbeit die chromatisch konfokale Messmethode eingesetzt. Neben der Betrachtung der linearen Theorien und experimentellen Untersuchungen wird auch ein neues nichtlineares Modell zur Beschreibung radial expandierender dünner Flüssigkeitsfilme vorgestellt. Dazu werden die Navier-Stokes-Gleichungen unter Annahme einer rotationssymmetrischen,

nichtviskosen Strömung, Mittelung der Strömungsgrößen über die Filmhöhe, Annahmen bezüglich der Geschwindigkeits- und Druckprofile über die Filmdicke sowie unter Vernachlässigung des Einflusses der umgebenden Gasphase auf ein eindimensionales Dünnfilmmodell reduziert, welches

Filmdicke, Radialgeschwindigkeit des Films und axiale Filmposition als Funktion der Zeit und des Radius beschreibt. Schließlich wird auch ein Modell zur Beschreibung des Randwulsts vorgestellt.