Selected Results of the Collaborative Research Center "Droplet Dynamics under Extreme Ambient Conditions" SFB/TRR 75

[EN] The Collaborative Research Center (CRC) SFB-TRR 75 was established in January 2010 to focus on the dynamics of basic drop processes, and in particular on processes involving extreme boundary conditions, for example, near thermodynamic critical conditions, very low temperatures, under strong electric fields or in situations involving extremely large gradients. The CRC is a joint initiative of the University of Stuttgart, the TU Darmstadt and the German Aerospace Center (DLR) in Lampoldshausen, operating with 17 projects structured into three main research areas and involving researchers from numerous faculties: Mathematics, Chemistry, Electrical Engineering, Aerospace Engineering, Mechanical Engineering, Informatics and Computer Sciences. Some of the topics pursued at the CRC include • The behaviour of supercooled and potentially electrified droplets in clouds • The impact of Supercooled Large Droplets (SLD) on aircraft icing • The behaviour of strongly electrified drops on insulator surfaces, which can be found on high voltage power lines, affecting the partial discharge behaviour and performance and durability of the insulator. • Trans-critical injection conditions of fuel with flash boiling in rocket combustion chambers • Atomization and vaporization of droplets at high pressures and temperature, as occurring in future combustion systems This article provides an overview of the projects being carried out at the SFB-TRR 75 and highlights scientific results from selected subprojects. The main purpose of the paper is to familiarize colleagues with this extensive and dedicated research effort in the area of drop dynamics and to motivate and initiate future collaboration with others in this field.The members of the SFB-TRR 75 would like to thank the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) for the financial support of the SFB-TRR 75.Tropea, C.; Weigand, B.; Schulte, K. (2017). Selected Results of the Collaborative Research Center "Droplet Dynamics under Extreme Ambient Conditions" SFB/TRR 75. En Ilass Europe. 28th european conference on Liquid Atomization and Spray Systems. Editorial Universitat Politècnica de València. 296-303. https://doi.org/10.4995/ILASS2017.2017.4597OCS29630

Transient freezing of liquids in forced laminar flow inside a parallel plate channel

A simple analytical approximative solution was given for calculating the time dependent development of the ice-layers at the cooled walls inside a parallel plate channel. By ignoring the effect of acceleration, resulting from converging ice-layers in the axial direction, an analytical solution for the variation of the ice-layer thickness with time and axial position could be obtained. The approximative solution was checked by numerical calculations and good agreement was found.Es wurde ein analytisches Näherungsverfahren entwickelt, das es ermöglicht, die zeitliche Entwicklung der Erstarrungsfronten im gekühlten, ebenen Kanal zu bestimmen. Die Methode liefert unter Vernachlässigung der Beschleunigungsterme durch die konvergenten Eisschichten eine exakte Lösung der Phasengrenzbeziehung. Das Näherungsverfahren wurde mittels numerischer Berechnungen überprüft und stimmt bis zu Wandunterkühlungsverhältnissen vonB=10 sehr gut mit der numerischen Lösung überein

Freezing in turbulent flow inside tubes and channels

A simple and quite flexible numerical model is presented to predict the steady state ice-layer formation inside a cooled two dimensional channel or a tube containing a turbulent flow. The effects of arbitrary entrance velocity distributions upon the shape of the ice-layers are examined. The presented numerical scheme is verified by comparing the predicted ice-layers with measurements and generally good agreement was found.Es wurde ein einfaches und sehr flexibles numerisches Modell entwickelt, das es ermöglicht, die stationären Erstarrungsfronten im turbulent durchströmten ebenen Kanal und im Kreisrohr zu berechnen. Der Artikel befaßt sich unter anderem mit dem Einfluß des Eintrittsgeschwindigkeitsprofils auf die Kontur der erstarrten Schicht. Die Güte des vorgestellten Modells wurde anhand von eigenen Messungen für die Strömung mit Eisbildung im ebenen Kanal überprüft. Es zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment

Heat transfer in an axially rotating pipe in the thermal entrance region. Part 1, Effect of rotation on turbulent pipe flow

Der Einfluß der Rotation auf das Temperaturprofil und die Wärmeübergangszahl einer turbulenten Rohrströmung im Bereich des thermischen Einlaufs wird theoretisch untersucht und mit Meßwerten verglichen. Es wird angenommen, daß das Geschwindigkeitsprofil voll ausgebildet ist. Die Rotation hat aufgrund der radial ansteigenden Zentrifugalkräfte einen ausgeprägten Einfluß auf die Unterdrückung der turbulenten Bewegung. Dadurch verschlechtert sich die Wärmeübertragung mit steigender Rotations-Reynoldszahl und die thermische Einlauflänge nimmt beträchtlich zu.The effects of rotation on the temperature distribution and the heat transfer to a fluid flowing inside a tube are examined by analysis in the thermal entrance region. The theoretical results are compared with experimental findings. The flow is assumed to have a fully developed velocity profile. Rotation was found to have a very marked influence on the suppression of the turbulent motion because of radially growing centrifugal forces. Therefore, a remarkable decrease in heat transfer with increasing rotational Reynolds number can be observed. The thermal entrance length increases remarkably with growing rotational Reynolds number

The freeze-shut of a convectively cooled parallel plate channel subjected to laminar internal liquid flow

The paper presents an approximative solution for the time dependent development of the ice layers at the cooled walls inside a parallel plate channel. The upper and the lower wall of the channel are cooled by an uniform external convection. By assuming a constant pressure drop across the channel, the freeze-shut of the planar channel could be calculated approximately. It was found out that the origin of the freezing fronts moves upstream during the ice layer growth. Furthermore a simple criterion is presented to predict whether a given system will lead to blockade.Die vorliegende Arbeit stellt eine Approximationslösung vor, die das instationäre Wachstum der Eisschichten in einem ebenen, laminar durchströmten Kanal beschreibt. Die obere und die untere Wand des Kanals werden hierbei konvektiv gekühlt. Unter der Annahme eines zeitlich konstanten Druckverlustes im Kanal ist es möglich, das instationäre Verhalten der Erstarrungsfronten, bis hin zur Blockade des Kanals, approximativ zu berechnen. Als ein Ergebnis der Arbeit ergibt sich, daß der örtliche Beginn der erstarrten Schicht an der Kanalwand mit dicker werdenden Eisschichten stromaufwärts wandert. Weiterhin wird ein Kriterium angegeben, das es erlaubt, a priori darüber zu entscheiden, ob das System bei den vorliegenden Verhältnissen zufriert

Fluid flow and heat transfer in an axially rotating pipe subjected to external convection

The effects of external insulation and tube rotation on the heat transfer to a fluid flowing inside a tube are examined by analysis. The turbulent flow is assumed to be hydrodynamically fully developed. Heat transfer was found to be strongly suppressed by tube rotation. It is shown that the significance of external insulation on the Nusselt number increases with growing rotation rate of the pipe.Der Einfluß des äußeren Wärmeübergangs und der Rotation auf die Wärmeübertragung in einer turbulenten Rohrströmung im Bereich des thermischen Einlaufs wird theoretisch untersucht. Es wird angenommen, daß das Geschwindigkeitsprofil voll ausgebildet ist. Die Rotation hat aufgrund der radial ansteigenden Zentrifugalkräfte einen ausgeprägten Einfluß auf die Unterdrückung der turbulenten Bewegung. Dadurch verschlechtert sich die Wärmeübertragung mit steigender Rotations-Reynoldszahl. Weiterhin zeigt sich, daß der Einfluß der äußeren Isolation auf die Nusseltzahl mit steigender Rohrrotation zunimmt

Heat transfer in an axially rotating pipe in the thermal entrance region. Part 2, Effect of rotation on laminar pipe flow

Der Einfluß der Rotation auf das Temperaturprofil und die Wärmeübergangszahl einer laminaren Rohrströmung im Bereich des thermischen Einlaufs wird theoretisch untersucht. Es wird angenommen, daß das Geschwindigkeitsprofil voll ausgebildet ist. Die Rotation hat einen destabilisierenden Einfluß auf die Laminarströmung, die umschlägt und turbulent wird. Aufgrund der Anfachung der Turbulenz durch die Rotation verbessert sich die Wärmeübertragung mit steigender Rotations-Reynoldszahl und die thermische Einlauflänge nimmt beträchtlich ab.The effects of tube rotation on the temperature distribution and the heat transfer to a fluid flowing inside a tube are examined by analysis in the thermal entrance region. The flow is assumed to be hydrodynamically fully developed. The rotation has a destabilizing effect on the laminar pipe flow, causing a transition to turbulent flow. Therefore, a remarkable increase in heat transfer with increasing rotational Reynolds number can be observed. The thermal entrance length decreases remarkably with growing rotational Reynolds number

A theoretical and experimental investigation of smooth- and wavy ice layers in laminar and turbulent flow inside an asymmetrically cooled parallel-plate channel

The present paper shows the adaption of the numerical model originally developed by Weigand and Beer [14] for calculating steady-state ice layers inside an asymmetrically cooled parallel-plate channel. The investigation shows the characteristics in ice formation behaviour due to asymmetrically cooled walls. Further, a simple analytical model is presented for calculating smooth ice layers in turbulent flow. The study is supported by own measurements of the freezing fronts inside an asymmetrically cooled channel. A comparison between theoretical calculations and measurements shows generally good agreement.Die vorliegende Arbeit beschreibt die Anwendung des von Weigand und Beer [14] entwickelten, numerischen Modells zur Vorhersage von Eisschichten in einem ebenen, asymmetrisch gekühlten Kanal. Die Studie befaßt sich mit den Unterschieden in der Eisschichtbildung aufgrund der asymmetrisch gekühlten Kanalwände. Weiterhin wird ein einfaches Verfahren angegeben, mit dem sich die Gestalt von glatten Eisschichten bei turbulenter Strömung und asymmetrischer Kühlung sehr einfach berechnen läßt. Die analytisch und numerisch gewonnenen Resultate werden anschließend mit eigenen Messungen von Eisschichten verglichen, wobei eine im allgemeinen gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment zu beobachten ist