Experimentelle Untersuchung des Skalenverhaltens bei Kondensation und Verdampfen in einem generischen Fahrzeugscheinwerfer

Kurzfassung

Diese Promotionsschrift befasst sich mit der experimentellen Untersuchung des Wärmetransports und Stofftransfers feuchter Luft mit Phasentransition an einer Oberfläche. Eine Motivation hierfür gibt unter anderem das vermehrte Auftreten von unerwünschter Kondensation innerhalb von Automobilscheinwerfern. Hierzu wird ein experimenteller Aufbau vorgestellt, der die physikalischen Prozesse abbildet, die für die Tropfenkondensation und die Verdampfung von Tropfen relevant sind. Der in dieser Arbeit untersuchte Parameterbereich umfasst 200 < Re < 1300, bei 0 < Gr < 108 und relative Luftfeuchten von 0.19 < ϕein < 0.85 (bei 25 ◦C). Das Geschwindigkeitsfeld im Zellinneren wurde mittels tomografischer Particle Image Velocimetry gemessen. Die Ergebnisse einer probabilistischen Analyse und einer Hauptkomponentenanalyse werden präsentiert. Hierbei zeigt sich, dass die erzwungene Strömung den internen Wärme- und Stofftransport dominiert, höhere Temperaturgradienten jedoch zu einer Stabilisierung beziehungsweise Symmetrieerhöhung der großskaligen Strömung führen. Zur Bestimmung des Massentransfers beim Kondensieren und Verdampfen werden drei Messmethoden vorgestellt. Die erste bilanziert die Menge an Wasser an Ein- und Auslass, die zweite wiegt die Wassermasse direkt, während die dritte Konturen einzelner Tropfen mittels eines Mikroskops misst. Die ersten beiden liefern Aussagen über die globale Entwicklung der Masse auf der Kühlplatte. Die optische Methode eröffnet Einblicke in die lokale Tropfendynamik. Auf Basis dieser Messergebnisse wird die Skalierung der Sherwood-Zahl in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl und der relativen Luftfeuchte am Einlass untersucht. Zusätzlich wurde eine dimensionslose Beschreibung des Anwachsens und Schrumpfens von Einzeltropfen auf der Oberfläche formuliert. Die Messergebnisse des sensiblen und des latenten Wärmestroms werden abschließend in einem 1D-Modell reproduziert, validiert und auf den konkreten Betriebsfall eines Serienscheinwerfers angewendet.