Extreme Tropfen

Thermodynamik von Tropfen unter extremen Bedingungen mittels molekularer Simulation

Tropfen spielen in der Natur und Technik eine zentrale Rolle. Beispiele aus der Natur sind Regen, Wolken oder Nebel. Im Hinblick auf technische Prozesse ist die Verdampfung von Tropfen in Kraftstoffsprays bei der Verbrennung in Kraftfahrzeugmotoren oder Flugtriebwerken als Anwendung zu nennen. Viele dieser Prozesse laufen unter extremen Umgebungsbedingungen, z.B. hohem Druck oder extremen Temperaturen ab. Hohe Drücke entstehen hier oft schon bei der Einspritzung des Kraftstoffgemisches, um dieses möglichst fein in der Brennkammer zu dispergieren. Dadurch wird im Verhältnis zum Volumen viel Oberfläche geschaffen und der Kraftstoff kann dementsprechend schneller verdampfen. Obwohl derartige Prozesse bereits lange Zeit in der Technik eingesetzt werden gibt es immer noch große Lücken im grundlegenden Verständnis. Ein vertieftes physikalisches Verständnis für die wesentlichen Vorgänge ist allerdings unerlässlich für die Optimierung technischer Systeme und damit einhergehende Effizienzsteigerung der darin ablaufenden Prozesse.
Aus diesem Grund wurde der Sonderforschungsbereich „Transregio 75“ (SFB-TRR 75) ins Leben gerufen. Er vereint Wissenschaftler zahlreicher Institute der Universitäten Stuttgart und Darmstadt sowie des DLR Lampoldshausen aus den Fachgebieten: Mathematik, Physik, Chemie, Informatik sowie den Ingenieurswissenschaften. Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Die Mitarbeiter des Transregio sind je nach ihrem Fachgebiet verschiedenen Teilprojekten zugeordnet. Durch den Einsatz dieser interdisziplinären Kombination der Expertise wird das übergeordnete Ziel verfolgt das grundlegende Verständnis von tropfendynamischen Prozessen aufzubauen bzw. zu erweitern.
Das ThEt tritt als assozierter Projektpartner auf und beschäftigt sich grob mit zwei Aufgabengebieten. Eine Aufgabe besteht darin Stoffeigenschaften (z.B.: Gaslöslichkeiten, Oberflächenspannungen, etc.) von für das Projekt relevanten Substanzen (Azeton, Sauerstoff, Stickstoff) zu ermitteln. Dafür werden sowohl Molekulare (Gleichgewichts-)Simulationen als auch Versuchsanlagen eingesetzt. Eine weitere Aufgabe besteht darin tropfendynamische Prozesse, wie zum Beispiel die Verdampfung nanoskaliger Tropfen durch geeignete Methoden zu modellieren und durch die Prozesse beschreibende Größen (z.B.: Verdampfungsrate) zu quantifizieren. Dabei kommen Nicht-Gleichgewichtssimulationen zum Einsatz.