Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-3711
Authors: Wilms, Jochen
Title: Evaporation of multicomponent droplets
Other Titles: Verdunstung mehrkomponentiger Tropfen
Issue Date: 2005
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-24728
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/3728
http://dx.doi.org/10.18419/opus-3711
ISBN: 3-89963-255-9
Abstract: The objective of this study was to provide a better understanding of multicomponent droplet evaporation. The work was motivated by the need to understand the evaporation of fuel droplets in combustion chambers of aerospace and car engines. Within this dissertation, experimental and numerical investigations of the evaporation of droplets with one to three components are presented. From the experiments, data are presented considering mainly surface histories of droplets with various compositions evaporating at various ambient temperatures. Numerical results from different evaporation models are compared to the experimental data to validate the numerical models. The evaporation models and the experiments, especially the optical measurement techniques, are explained together with details on new developments. For the experiments, setups for single, optically levitated and single, free-falling droplets were used. As droplet liquids, 1-hexadecene and n-alkanes from n-pentane to n-hexadecane were selected. The surrounding gas was either nitrogen or dry air. Experiments were conducted at standard atmospheric pressure and ambient temperatures from about 290 to 350 K. The initial droplet size was on the order of 50 µm. The droplet size was measured using Mie scattering imaging. Additionally, the change of droplet size was measured by detecting morphology-dependent resonances in the intensity of the scattered light. For this measurement technique, a method for the correction of the phase shift of the morphology-dependent resonances due to the changing composition in the case of multicomponent droplets is proposed using numerical simulations including Lorenz-Mie theory. As third optical measurement technique, rainbow refractometry was applied to measure the droplet temperature for pure-component droplets and the composition for binary mixture droplets with low evaporation rates. Moreover, rainbow refractometry was used to detect refractive index gradients for droplets where concentration gradients were predicted by a diffusion-limit model. From droplet size measurements, histories of the non-dimensional droplet surface are presented. The setups allowed for measurement periods covering nearly the entire lifetime of the droplet. For pure-component droplets, evaporation rates were determined from size histories. Results for different substances at different ambient temperatures are shown. For mixture droplets, the compounds and the initial compositions were varied as well. The large amount of experimental data can be used for the validation of numerical models. From the classical D2-law, numerical models were developed for two- and three-component droplets assuming a constant droplet temperature for fast calculations of the droplet evaporation. For two-component droplets, an analytical solution was derived. In addition, a rapid-mixing and a diffusion-limit model with internal heat and mass transfer assuming spherical symmetry were used for numerical simulations. The numerical models for two- and three-component droplets as well as the analytical solution showed good agreement with experimental data even for mixtures with a large difference in the volatilities of the substances when the appropriate reference state was selected. Rainbow refractometry was successfully applied to measure droplet temperatures and compositions. For mixture droplets, where concentration gradients were predicted by the diffusion-limit model, these gradients did not occur in the experiments. Instead, very good agreement was reached with the rapid-mixing model. This means that the mass transport inside the droplets was most likely enhanced by internal circulation caused by the generation process of the droplet.
Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, die Verdunstung von mehrkomponentigen Tropfen zu untersuchen. Der Grund für diese Untersuchungen liegt im Bedarf nach einem besseren Verständnis und einer verbesserten Modellierung der Verdunstung von Kraftstofftropfen in den Brennräumen von Luft- und Raumfahrtantrieben sowie Kraftfahrzeugmotoren. In dieser Arbeit werden sowohl experimentelle als auch numerische Untersuchungen der Verdunstung von Tropfen bestehend aus einer bis zu drei Komponenten vorgestellt. Von den experimentellen Ergebnissen werden hauptsächlich Verläufe der Tropfenoberfläche als Funktion der Zeit präsentiert, wobei sowohl die Zusammensetzung der Tropfen als auch die Umgebungstemperatur, der die Tropfen während der Verdunstung ausgesetzt sind, variiert wurden. Numerische Ergebnisse von verschiedenen Verdunstungsmodellen werden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen, um die Verdunstungsmodelle zu validieren. Bei den Verdunstungsmodellen kamen vereinfachte Modelle zur Anwendung, die in dieser Arbeit hergeleitet werden, und bei den Experimenten wurden für die optischen Messmethoden spezielle Auswerteroutinen für eine hohe Messgenauigkeit entwickelt. Für die Experimente wurden Versuchsstände für optisch levitierte und frei fallende Einzeltropfen verwendet. Als Flüssigkeiten wurden 1-Hexadeken und die n-Alkane von n-Pentan bis n-Hexadekan ausgewählt. Das umgebende Gas war entweder Stickstoff oder trockene Luft. Die Experimente wurden bei Standard-Atmosphärendruck und bei Umgebungstemperaturen von 290 bis 350 K durchgeführt. Der Anfangstropfendurchmesser war in der Größenordnung von 50 µm. Die Tropfengröße wurde aus dem Streulicht des Tropfens bestimmt. Bei frei fallenden Tropfen wurde zusätzlich die Änderung der Tropfengröße mit einer Messmethode basierend auf gestaltabhängigen Resonanzen ermittelt. Um diese Methode bei mehrkomponentigen Tropfen einzusetzen, bei denen eine Phasenverschiebung der gestaltabhängigen Resonanzen auftrat, wurde ein Korrekturverfahren mit Hilfe von numerischen Simulationsrechnungen entwickelt. Als weitere optische Messmethode wurde Regenbogen-Refraktometrie zur Bestimmung der Tropfentemperatur bei einkomponentigen und zur Bestimmung der Zusammensetzung bei zweikomponentigen Tropfen verwendet. Außerdem wurde diese Messtechnik zur Untersuchung von Konzentrationsgradienten im Tropfen benutzt. Aus den Messungen der Tropfengröße wurde die dimensionslose Tropfenoberfläche als Funktion der Zeit ermittelt. Die Versuchsstände ermöglichten es, dass die Messzeit nahezu die gesamte Lebensdauer des Tropfens umfasste. Bei einkomponentigen Tropfen wurde für unterschiedliche Stoffe und bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen die Verdunstungsrate bestimmt. Bei mehrkomponentigen Tropfen wurden zusätzlich die Mischungsverhältnisse variiert. Die umfangreichen experimentellen Ergebnisse können für die Validierung von numerischen Berechnungsmethoden verwendet werden. Ausgehend vom klassischen D2-Gesetz wurden numerische Modelle für zwei- und dreikomponentige Tropfen zur schnellen Berechnung der Tropfenverdunstung entwickelt, wobei eine konstante Tropfentemperatur angenommen wurde. Für zweikomponentige Tropfen wurde eine analytische Lösung abgeleitet. Für numerische Berechnungen wurden außerdem ein Rapid-Mixing-Modell (unendlich schneller Wärme- und Stofftransport im Tropfeninneren) und ein Diffusion-Limit-Modell (Wärme- und Stofftransport allein durch Wärmeleitung und Diffusion) mit eindimensionaler Betrachtung des Wärme- und Stofftransportes verwendet. Sowohl die numerischen Modelle für zwei- und dreikomponentige Tropfen als auch die analytische Lösung zeigten eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen, wenn ein geeigneter Referenzzustand gewählt wurde. Mit der Regenbogen-Refraktometrie war es möglich, sowohl die Tropfentemperatur als auch die Tropfenzusammensetzung zu messen. Bei mehrkomponentigen Tropfen, bei denen vom Diffusion-Limit-Modell Konzentrationsgradienten vorhergesagt wurden, traten diese nicht auf. Stattdessen wurde eine sehr gute Übereinstimmung mit dem Rapid-Mixing-Modell gefunden. Deswegen wird vermutet, dass der Stofftransport im Tropfeninneren durch Zirkulation der Flüssigkeit, die bei der Tropfenerzeugung entstand, erhöht wurde.
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