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Numerische Studien zum stossinduzierten Breakup-Prozess

Numerische Studien zum stossinduzierten Breakup-Prozess
Ansprechpartner:

Prof. Dr. K. D. Beheng

Der maximale Durchmesser von Regentropfen ist etwa 6 mm. Aus dieser Erfahrungstatsache ist zu schließen, dass es einen Mechanismus gibt, der die Größe von Regentropfen limitiert. Es wird gegenwärtig angenommen, dass dieser Mechanismus der stossinduzierte Tropfenzerfall ist. Er wurde in der Vergangenheit nur durch einige wenige Laborexperimente untersucht. Darüber hinaus wurden nur wenige Paare unterschiedlich großer Tropfen, die nach einem Stoß in einzelne Bruchstücke zerfallen, betrachtet. Auch aktuelle Beschreibungen dieses Mechanismus basieren auf den wenigen Laborexperimenten. Gegenwärtig stehen aber auch fluiddynamische Programmpakete zur Verfügung, die diesen Mechanismus mit großer Genauigkeit und für einen sehr großen Parameterbereich von Durchmessern stoßender Tropfen zu berechnen gestatten. Das Programm FS3D (freesurface in threedimensions) des Instituts für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt, Universität Stuttgart , ermöglicht die direkte numerische Simulation inkompressibler Zweiphasenströmungen auf allen Skalen, wobei auch freie Oberflächen berücksichtigt werden können. Mit diesem Programm wurden Stöße und das anschließende Auseinanderbrechen von jeweils zwei großen Tropfen untersucht und mit Ergebnissen, die aus älteren Labormessungen stammen, verglichen. Dabei wurden auch weitere, im Labor nicht untersuchte Tropfenstöße untersucht und besonderer Wert auf exzentrische Stösse gelegt wurde.

 

Abb 1:

Es stellte sich heraus, dass die Stoßgeometrie eines Stoßes, speziell die Exzentrizität, einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Zerfallsart hat.

 

 

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Abb 2:

Die Bruchstücksverteilungen wurden mit Funktionen beschrieben, wie sie bei der Parametrisierung gemessener Zerfallsmechanismen verwendet werden.

 

 

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Abb 3:

Als Konsequenz der neuen Untersuchungen und der abgeleiteten neuen Parametrisierung zeigen stationäre Tropfenspektren, also solche bei denen sich ein Gleichgewicht zwischen der Erzeugung großer Tropfen durch Koagulation und dem Verlust von großen Tropfen durch stoßinduzierten Zerfall einstellt, eine nicht unerhebliche Abweichung gegenüber der alten Parametrisierung (Low und List, 1982).

Erstaunlicherweise stimmt das stationäre Tropfenspektrum, bei dem eine Parametrisierung nach McFarquahr (2004) verwendet wurde und die die Low und List-Messdaten neu bewertete, sehr gut mit dem Spektrum überein, das mit der neuen Methodik berechnet wurde.

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Eine experimentelle Verifikation ist in den beiden Filmen (zum Einen eine permanente Vereinigung (Film 1) und zum Anderen eine stoßinduzierte Produktion von kleineren Tropfen NACH der Kollision) (Film 2) zu sehen, die Kollisionen zwischen einem kleinen und einem großen Tropfen zeigen, wie sie im Mainzer Windkanal beobachtet wurden (Dank an Karoline Diehl und Miklos Szakall, Universität Mainz).

Film 1:


Film 2:


 

 

Literatur:

  • Seifert, A., Khain, A., Blahak, U., Beheng, K.D. , 2005:
    Possible effects of collisional breakup on mixed-phase deep convection simulated by a spectral (bin) cloud model
    J. Atmos. Sci., 62, 1917-1931, Abstract 
  • Beheng, K.D., Jellinghaus, K., Sander, W., Roth, N., Weigand, B. ,2006:
    Investigation of collision-induced breakup of raindrops by numerical simulations: First results
    Geophys. Res. Lett., 33, L10811, Abstract
  • Schlottke, J., Straub, W., Beheng, K.D., Gomaa, H., Weigand, B. ,2010:
    Numerical Investigation of Collision-Induced Breakup of Raindrops. Part I: Methodology and Dependencies on Collision Energy and Eccentricity
    J. Atmos. Sci., 67, 557-575, Abstract 
  • Straub, W., Beheng, K.D., Seifert, A., Schlottke, J., Weigand, B. ,2010:
    Numerical Investigation of Collision-Induced Breakup of Raindrops. Part II: Parameterizations of Coalescence Efficiencies and Fragment Size Distributions
    J. Atmos. Sci., 67, 576-588, Abstract