This cumulative thesis focuses on experimental investigation of droplet aerobreakup. A shock tube is employed for the generation of well-defined flow conditions. The temporal steadiness and the spatial uniformity of the shock-induced freestream flow is verified by systematic pressure measurements. Optimization guidelines for the design of pressure sensor housings are proposed in the first publication to improve the measurement accuracy and the response rate. The impact of flow Mach number on stripping breakup is elucidated in the second publication to address the importance of flow compressibility in supersonic atomization. The breakup behavior of droplets in tandem formation at different separation distances is illustrated in the third publication to evaluate the droplet interaction in dense sprays. In impulse facilities such as shock tubes and expansion tubes where the experimental time window is limited, measurement of transient stagnation pressure is critical. The first part of this thesis analyzes the characteristic behavior of pressure sensors shielded by housings of different geometries. Compared to the conical housings that are commonly adopted in conventional steady/quasi-steady pressure measurements, the blunt housings show consistent advantages under transient conditions and produce pressure signals with shorter rise time and less pronounced oscillations. This work delivers the key message that it is mandatory to employ sensor housings with blunt tips and short internal void to achieve robust high-accuracy fast-response measurements of transient stagnation pressure. With the rapid development of supersonic gas atomizers, droplet breakup in high-speed flows becomes of increasing importance. In contrast to most research that places emphasis on Weber and Ohnesorge numbers, the second part of this thesis investigates the effect of flow Mach number on the breakup behavior in the shear stripping regime. The main feature is that the Mach number is decoupled from other non-dimensional parameters and varied independently. As opposed to the conventional stripping pattern in subsonic flow with fine mist shed off the liquid sheet around the equator, the breakup process in transonic flow is characterized by rupture of multiple bags formed along the periphery and in supersonic flow by fragmentation of ligament structures stretching from the leeward surface. This work highlights the necessity of developing new models to accurately predict the performance of supersonic atomization. In practical applications related to dense sprays, the interaction between droplets in close proximity tends to affect the breakup behavior. The third part of this thesis studies the droplet breakup in tandem formation and particularly details the interactive modes over a wide range of Weber numbers and separation distances. The key finding is that whereas the breakup pattern of the lead droplet is barely altered, the breakup intensity of the trailing droplet is consistently weakened as the separation distance decreases to critical levels. Furthermore, conventional breakup morphologies are not preserved at even smaller separation distances and new patterns including puncture and coalescence modes emerge. This work provides quantitative bases for the modeling of droplet interaction in dense sprays.      «

This cumulative thesis focuses on experimental investigation of droplet aerobreakup. A shock tube is employed for the generation of well-defined flow conditions. The temporal steadiness and the spatial uniformity of the shock-induced freestream flow is verified by systematic pressure measurements. Optimization guidelines for the design of pressure sensor housings are proposed in the first publication to improve the measurement accuracy and the response rate. The impact of flow Mach number on str...     »

Der Inhalt dieser kumulativen Dissertation fokussiert sich auf die experimentelle Untersuchung des sekundären Tropfenzerfalls. Über ein Stoßrohr werden definierte Strömungszustände erzeugt. Die Konstanz über die gesamte Versuchszeit und die räumliche Homogenität der stoßinduzierten Strömung wurde durch systematische Druckmessungen verifiziert. In der ersten Veröffentlichung werden Richtlinien für ein optimiertes Design von Drucksensorgehäusen vorgestellt, die in einer Verbesserung der Messgenauigkeit und der Ansprechrate resultieren. Die zweite Publikation adressiert daher den Einfluss der Strömungsmachzahl auf den Tropfenzerfall, um die Bedeutung der Kompressibilität bezüglich der Tropfenzerstäubung im Überschall zu charakterisieren. In der dritten Publikation wurde gezielt das Aufbruchverhalten von Tropfen in Tandemformation bei unterschiedlichen Abständen untersucht, um so Rückschlüsse auf die Tropfeninteraktion in dichten Sprays zu ermöglichen. In Impulsanlagen wie Stoß- und Expansionsrohren, bei denen das experimentelle Zeitfenster begrenzt ist, stellt die Messung des transienten Staudrucks eine Herausforderung dar. Im ersten Teil dieser Arbeit wird das charakteristische Ansprechverhalten von Drucksensoren in verschiedenen Gehäusegeometrien untersucht. Im Vergleich zu konischen Gehäusen, welche üblicherweise bei konventionellen stationären/quasistationären Druckmessungen eingesetzt werden, zeigen abgestumpfte Gehäuse ein konsistent besseres Ansprechverhalten. Das Drucksignal weist eine kürzere Anstiegszeit und weniger ausgeprägte Oszillationen auf. Die Kernaussage dieser Arbeit ist, dass für die Messung des transienten Staudrucks der Einsatz von stumpfen Sensorgehäusen mit kurzen inneren Kanälen notwendig ist, um robuste, hochgenaue und schnell ansprechende Messungen zu erzielen. Durch die rasante Entwicklung von Atomizern (Zerstäubern) gewinnt der Tropfenzerfall in Überschallströmungen zunehmend an Bedeutung. Im Gegensatz zu den meisten Untersuchungen, die den Schwerpunkt auf die Weber- und Ohnesorgezahl legen, wird im zweiten Teil dieser Arbeit der Einfluss der Strömungs-Machzahl auf das Aufbruchverhalten im Bereich des sogenannten ‚Shear-Stripping‘-Regimes untersucht. Das Hauptaugenmerk liegt in dieser Untersuchung darauf, die Machzahl von anderen dimensionslosen Parametern zu entkoppeln und unabhängig zu variieren. Beim konventionellen Shear-Stripping in Unterschallströmung löst sich feiner Nebel am Äquator des Tropfens, wohingegen der Aufbruchsprozess bei transsonischer Strömung durch das Aufreißen mehrerer Taschen entlang der Peripherie gekennzeichnet ist. In Überschallströmung ist der Zerfall durch die Fragmentierung von Ligamentstrukturen geprägt, die sich stromab vom Tropfen ausbilden. Diese Arbeit illustriert und verdeutlicht die Notwendigkeit zur Entwicklung neuer Modelle für die adäquate Vorhersage des Tropfenaufbruchs in Überschallzerstäubern. In praktischen Anwendungen, welche meist durch dichte Sprays gekennzeichnet sind, neigt die Wechselwirkung nahegelegener Tropfen dazu, das Zerfallsverhalten zu beeinflussen. Der dritte Teil dieser Arbeit untersucht den Tropfenzerfall anhand von zwei Tropfen in Tandemkonfiguration und bemisst die Wechselwirkung über einen weiten Bereich von Weberzahlen und Abständen. Die wichtigste Erkenntnis dieser Arbeit ist, dass sich das Zefallsverhalten des ersten Tropfens (stromauf) kaum verändert, wohingegen die Zefallsintensität des nachfolgenden Tropfens mit abnehmendem Abstand kontinuierlich abgeschwächt wird, bis ein kritischer Abstand erreicht wird. Wird ein kritischer Tropfenabstand unterschritten, so treten die konventionelle Zerfallsmechanismen und -morphologien nicht mehr auf und es entstehen neue Strukturen, namentlich der Durchstoß- und der Koaleszenzmechanismus. Dieser Teil der Arbeit liefert darüber hinaus quantitative Grundlagen für die Modellierung der Tröpfcheninteraktion in dichten Sprays.      «

Der Inhalt dieser kumulativen Dissertation fokussiert sich auf die experimentelle Untersuchung des sekundären Tropfenzerfalls. Über ein Stoßrohr werden definierte Strömungszustände erzeugt. Die Konstanz über die gesamte Versuchszeit und die räumliche Homogenität der stoßinduzierten Strömung wurde durch systematische Druckmessungen verifiziert. In der ersten Veröffentlichung werden Richtlinien für ein optimiertes Design von Drucksensorgehäusen vorgestellt, die in einer Verbesserung der Messgenaui...     »