Tröpfchenaufprallprüfstände

Tröpfchenaufprall bezeichnet das Verhalten eines Tropfens, der mit einer Oberfläche oder in ein anderes Medium trifft. Das Phänomen spielt eine zentrale Rolle in Prozessen wie Beschichtung, Tintenstrahldruck, Kühlung und landwirtschaftlicher Sprühtechnik. Die Dynamik hängt von Tropfengröße, Impuls, Flüssigkeitseigenschaften, Oberflächenbeschaffenheit und Umgebungsbedingungen ab.

Beim Aufprall durchläuft der Tropfen typischerweise mehrere Phasen: Der Tropfen verflacht sich zu einer Lamelle, breitet sich über die Oberfläche aus und erreicht eine maximal ausgebreitete Ausdehnung. Anschließend kann er sich wieder zusammenziehen. Unter bestimmten Bedingungen kann es zur Kronenbildung oder zur Absprengung kleiner Tröpfchen (Satelliten) kommen. Ob der Tropfen gleichmäßig depositioniert wird oder spritzt, hängt vor allem von der Weberzahl, der Reynoldszahl und der Oberflächenbeschaffenheit ab.

Wichtige Größenordnungen sind We = ρ V^2 D / σ, Re = ρ V D / μ und Oh = μ / sqrt(ρ D σ), wobei ρ Dichte, V Ausbrechgeschwindigkeit, D Tropfendurchmesser, σ Oberflächenspannung und μ Viskosität der Flüssigkeit sind. Einflussfaktoren sind Tropfenparameter (Größe, Geschwindigkeit), Flüssigkeitseigenschaften (Dichte, Viskosität, Oberflächenspannung), Oberflächencharakteristik (Rauhigkeit, Kontaktwinkel) sowie Luftdruck und Luftdichte. In der Praxis führt eine hohe We oft zu Kronen- oder Spritzerscheinungen, insbesondere bei niedriger Viskosität und glatten Oberflächen; niedrigere Luftdrücke hemmen Spritzer.

Anwendungen nutzen gezielte Aufprallbedingungen, z. B. beim präzisen Tintenstrahldruck, beim Beschichten von Oberflächen, in der Sprühkühlung oder in der Landwirtschaft. Forschungsmethoden umfassen Hochgeschwindigkeitsfotografie, Schlierenmessung sowie numerische Simulationen (z. B. VOF oder Level-Set); Modelle verbinden Energie- und Impulsbilanz sowie dynamische Kontaktwinkeln, um die Übergänge zwischen Deposition und Spritzverhalten abzubilden.