Selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden in Kraftfahrzeugen ...
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4 Spray Der Einfluss der turbulenten Wirbelstrukturen auf die Tropfenausbreitung kann über die Stokes-Zahl St = τd (4.10) abgeschätzt werden. Diese beschreibt das Verhältnis der Partikelrelaxationszeit (siehe Tabelle 3.1) zur relevanten Zeitskala der Gasströmung. Letztere kann in turbulenten Strömungen mit der Kolmogorov-Zeit τg = � ν ε τg =0.3 k ε (4.11) abgeschätzt werden (z.B. Paschedag [90]). Als kritische Stokes-Zahl gibt Burger [22] einen Wert von St = 1.6 an. Unterhalb dieser Stokes-Zahl treten in Wirbelstrukturen Separation und Akkumulation der Tropfen auf, welche nur durch eine direkte numerische Simulation wiedergegeben werden. Bei größeren Stokes-Zahlen zeigt sich eine wellenartige Tropfenflugbahn. Dieser Effekt wird durch das verwendete Tropfendispersionsmodell von Gosman und Ioannides [45] berücksichtigt. Eine Abschätzung der Stokes-Zahl in realen Abgasanlagen zeigt, dass die verwendete Modellierung der Tropfendispersion zulässig ist. Die Stokes-Zahlen sind für die meisten Tropfen deutlich größer als 1.6. Lediglich kleinste Tropfen erfahren eine merkliche Ablenkung von der idealen Flugbahn. Der Impulseintrag in die Gasphase durch das Spray ist sehr gering. Den Bereich, in dem kein Ansaugen (Entrainment) der Gasphase durch die Flüssigphase stattfindet, geben Ghosh und Hunt [43] mit ug/uinj > 0.3,ug > 10 m/s an. Der Effekt einer zusätzlichen Vermischung durch induzierte Wirbelstrukturen, wie er z.B. von Campolo et al. [25] bei kleinen Werten für das Verhältnis von Gas- zur Eindüsungsgeschwindigkeit, ug/uinj, beschrieben wird, hat bei der Einspritzung von HWL einen vernachlässigbaren Einfluss. 56
5 Spray/Wand-Interaktion In diesem Kapitel wird zunächst auf die hydrodynamischen Phänomene beim Wandkontakt von Tropfen eingegangen. Ein Spray/Wand-Interaktionsmodell wird für die HWL-Anwendung weiterentwickelt, wofür Visualisierungen von Tropfenketten zur Regimeeinteilung herangezogen werden. Das Spray/Wand-Interaktionsmodell wird anhand von Visualisierungen des Spray/Wand-Kontakts überprüft. Ein Berechnungsmodell für den Wärmeübergang zwischen Tropfen und Wand wird vorgestellt und die Ergebnisse werden mit Temperaturmessungen bei der Spraykühlung für Betriebspunkte ohne und mit Wandfilmbildung verglichen. 5.1 Hydrodynamik beim Wandkontakt Beim Auftreffen von Tropfen auf eine Oberfläche können eine Vielzahl von verschiedenen physikalischen Phänomenen auftreten. Diese werden in der Literatur häufig als Regime bezeichnet und sind z.B. bei Bai und Gosman [11] ausführlich beschrieben. Im Folgenden werden die wichtigsten Regime kurz erläutert: Deposition: Adhäsion des Tropfens an der Oberfläche, wobei mit steigender Tropfengeschwindigkeit der anhaftende Tropfen seine sphärische Form verliert und einen linsenförmigen Film ausbildet. An einer benetzten Oberfläche verbindet sich der Tropfen mit dem bestehenden Wandfilm. An einer heißen Oberfläche tritt Sieden auf, welches bei noch höherer Temperatur in das Breakup-Regime übergeht. Splash: Zerfall des Tropfens in kleinere Sekundärtropfen an einer kalten (trockenen oder nassen) Wand aufgrund seiner hohen kinetischen Energie. Rebound: Reflektion des Tropfens bei sehr geringer Geschwindigkeit an der nassen Wand aufgrund eines zwischen Tropfen und Film eingeschlossenen Luftpolsters, welches den Kontakt verhindert. An der heißen, trockenen Oberfläche verhindert 57
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In diesem Kapitel wird zunächst auf die hydrodynamischen Phänomene beim Wandkontakt<br />
<strong>von</strong> Tropfen e<strong>in</strong>gegangen. E<strong>in</strong> Spray/Wand-Interaktionsmodell wird für die<br />
HWL-Anwendung weiterentwickelt, wofür Visualisierungen <strong>von</strong> Tropfenketten zur Regimee<strong>in</strong>teilung<br />
herangezogen werden. Das Spray/Wand-Interaktionsmodell wird anhand<br />
<strong>von</strong> Visualisierungen des Spray/Wand-Kontakts überprüft. E<strong>in</strong> Berechnungsmodell<br />
für den Wärmeübergang zwischen Tropfen und Wand wird vorgestellt und die Ergebnisse<br />
werden mit Temperaturmessungen bei der Spraykühlung für Betriebspunkte<br />
ohne und mit Wandfilmbildung verglichen.<br />
5.1 Hydrodynamik beim Wandkontakt<br />
Beim Auftreffen <strong>von</strong> Tropfen auf e<strong>in</strong>e Oberfläche können e<strong>in</strong>e Vielzahl <strong>von</strong> verschiedenen<br />
physikalischen Phänomenen auftreten. Diese werden <strong>in</strong> der Literatur häufig als<br />
Regime bezeichnet und s<strong>in</strong>d z.B. bei Bai und Gosman [11] ausführlich beschrieben. Im<br />
Folgenden werden die wichtigsten Regime kurz erläutert:<br />
Deposition: Adhäsion des Tropfens an der Oberfläche, wobei mit steigender Tropfengeschw<strong>in</strong>digkeit<br />
der anhaftende Tropfen se<strong>in</strong>e sphärische Form verliert und e<strong>in</strong>en<br />
l<strong>in</strong>senförmigen Film ausbildet. An e<strong>in</strong>er benetzten Oberfläche verb<strong>in</strong>det sich der<br />
Tropfen mit dem bestehenden Wandfilm. An e<strong>in</strong>er heißen Oberfläche tritt Sieden<br />
auf, welches bei noch höherer Temperatur <strong>in</strong> das Breakup-Regime übergeht.<br />
Splash: Zerfall des Tropfens <strong>in</strong> kle<strong>in</strong>ere Sekundärtropfen an e<strong>in</strong>er kalten (trockenen<br />
oder nassen) Wand aufgrund se<strong>in</strong>er hohen k<strong>in</strong>etischen Energie.<br />
Rebound: Reflektion des Tropfens bei sehr ger<strong>in</strong>ger Geschw<strong>in</strong>digkeit an der nassen<br />
Wand aufgrund e<strong>in</strong>es zwischen Tropfen und Film e<strong>in</strong>geschlossenen Luftpolsters,<br />
welches den Kontakt verh<strong>in</strong>dert. An der heißen, trockenen Oberfläche verh<strong>in</strong>dert<br />
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