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Zerfall pulsierender Wasserstrahlen

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Formal Metadata

Title Zerfall pulsierender Wasserstrahlen
Alternative Title Breakdown of Pulsating Water Jets
Author Meier, G. E. A.
Grabitz, Georg
Contributors Gotthard Glatzer (Redaktion)
Gerhard Matzdorf (Kamera und Schnitt)
License No Open Access License:
German copyright law applies. This film may be used for your own use but it may not be distributed via the internet or passed on to external parties.
DOI 10.3203/IWF/E-3175
IWF Signature E 3175
Publisher IWF (Göttingen)
Release Date 1991
Language German
Producer IWF (Göttingen)
Production Year 1990

Technical Metadata

IWF Technical Data Film, 16 mm, LT, 174 m ; F, 16 min

Content Metadata

Subject Area Physics
Abstract Wechselwirkung von Laufzeiteffekten und Oberflächenspannung (Rayleigh-Instabilität) in einem Flüssigkeitsstrahl mit Geschwindigkeitsmodulation. Grundgeschwindigkeiten: 4 m/s und 2 m/s; Düsendurchmesser: 3,2 mm bzw. 5 mm; Störamplituden: 0 bis 5 %. Druckkammer mit Pulsator, Drucksonde und Anemometer. Zerfall in Tropfen. Zeitdehneraufnahmen (20-200 Hz) mit synchroner stroboskopischer Beleuchtung. Überholeffekte. Im horizontalen Strahl: Perlenketten und Schirme. Im vertikalen Strahl: Kronen, Flaschen und Blasen.
Keywords Synchronisation
Grundgeschwindigkeit
Geschwindigkeitsmodulation
Blitzlampe
Überholeffekt
Oberflächenspannung
Rayleigh-Instabilität
Laufzeiteffekt
Stroboskop
Hitzdraht
Anemometer
Drucksonde
Pulsformer
Druckkammer
Pulsation
Wasserstrahl / Zerfall

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Transcript
Ein pulsierender Wasserstrahl löst sich nach Verlassen der Düse bald in einzelne Tropfen auf, was bei stroboskopischer Beleuchtung deutlich zu erkennen ist. Dafür gibt es zwei verschiedene Mechanismen. Einmal die sogenannte Rayleigh-Instabilität, die hauptsächlich auf der Wirkung der Oberflächenspannung beruht. Zum anderen einen kinematischen Laufzeiteffekt, der durch Geschwindigkeitsunterschiede in der Düse ausgelöst wird. Diese beiden Mechanismen wirken je nach Art der Störung in derselben oder in entgegengesetzter Richtung.
Die Störung geschieht in einer Kammer kurz vor der Düse, die einen Austrittsdurchmesser von 5mm hat.
Zur näheren Betrachtung haben wir einen Teil der Apparatur ausgebaut. Unterhalb der Kammer ein Schlauchstutzen. Hier strömt das Wasser durch einen Filter aus Watte radial und laminar in die Vorkammer ein.
Ein Schüttler, links, überträgt seine Bewegung über eine lange Stange und einen teildurchlässigen Kolben aus Sintermaterial auf die Wasserströmung. Bei der Demonstration mit einer niedrigen Frequenz läßt sich diese Bewegung leicht verfolgen. Im eigentlichen Experiment ist auch der Kolbenhub wesentlich kleiner, und die Frequenzen liegen zwischen 20 und 200Hz. Die Amplitude der Geschwindigkeitsstörung
ist der Hauptströmung von 2 m pro Sekunde überlagert. Angezeigt wird die Störung durch eine Sonde, die in Geschindigkeiten geeicht ist. Hier der Anschluß für den Oszillographen. Zur Eichung wird die Grundgeschwindigkeit
des Wasserstrahls mit einem Hitzdrahtanemometer bestimmt. Hier der Meßfühler.
Zunächst soll die Störung mit einer Frequenz von 100 Hz und einer Störamplitude von 5 % der Grundströmung erfolgen. Der Oszillograph zeigt den zeitlichen Verlauf der Störung.
Bei kleinen Amplituden erzielt die Apparatur eine sinusförmige Geschwindigkeitsstörung.
Die wohldefinierten Kolbenbewegungen erzeugen einen scheinbar hochturbulenten Wasserstrahl.
Der Schein trügt jedoch. Denn unser Eindruck ändert sich grundlegend, sobald wir den Strahl, wie anfangs, stroboskopisch beleuchten. Blitz und Kolbenbewegung werden von demselben Sinusgenerator gesteuert, daher beobachtet man ein stationäres Phänomen wie bei einer Momentaufnahme. Bei den Filmaufnahmen wurde auch der Kameraverschluß synchronisiert. Blitzfrequenz und Bildfrequenz waren gleich. Die Bewegung des Strahls scheint eingefroren, eine Folge der konstanten Periodendauer des instationären Phänomens. Sobald die Störfrequenz geringfügig von der Blitzfrequenz abweicht, entsteht der Eindruck einer zeitlich stark gedehnten Veränderung im Strahl. Dadurch werden Einzelheiten des Zerfalls besonders deutlich. Welchen Einfluß hat die Störfrequenz auf den Zerfall? Bei einer konstanten relativen Störung von 5% und einer Frequenz von 50 Hz wird der Zerfall des Strahls am rechten Rand des Bildfeldes sichtbar. Dagegen ist bei 25 Hz der Strahl nur leicht gewellt. Wie wirkt sich die Amplitude der Störung aus? Eine Änderung der Störamplitude zwischen 0 und 5% soll dies zeigen. Die Frequenz von 80 Hz bleibt dabei konstant. Bereits bei niedrigen Störamplituden zerfällt der Strahl nach kurzer Laufzeit in einzelne Tropfen. Offenbar wirken im Bereich von 80 Hz beide Zerfallsmechanismen optimal zusammen. Die zeitliche Folge verschiedener Geschwindigkeiten an der Düse bewirkt periodische Veränderungen des Strahlquerschnitts. Dies unterstützt die Tendenz zur Tropfenbildung. Infolge der Oberflächenspannung wird der Strahl an den dünnen Stellen abgeschnürt. Wie wirken sich hohe Störfrequenzen aus? Wird der Strahl mit einer so hohen Frequenz wie 200Hz gestört, so tritt eine andere Erscheinung auf. Unmittelbar hinter der Düse beobachtet man deutlich ein Anwachsen der Störung. Weiter außerhalb wirkt eine Dämpfung strahlstabilisierend. Sie verhindert den Tropfenzerfall. Anfangs lösen die Geschwindigkeitsunterschiede in der Düse die Tropfenbildung aus. Vorher, bei niedrigeren Störfrequenzen, verstärkte die Oberflächenspannung diese Tendenz, bis es zum Zerfall des Strahls kam. Jetzt, bei einer hohen Frequenz von 200Hz, hat die Oberflächenspannung den entgegengesetzten Effekt. Da sie die Oberflächendeformation dämpft, glättet sie den Strahl. Kinematische Effekte durch Geschwindigkeitsunterschiede an der Düse und Oberflächenspannung wirken einander entgegen. Das wird deutlich, wenn wir die Störamplitude erhöhen. Bei einer hohen Störamplitude überwiegen nämlich in Düsennähe die kinematischen Effekte die Wirkung der Oberflächenspannung. Wir beobachten eine starke Tendenz zum Abreißen des Strahls.
Wir wollen nun Einzelheiten des Strahlzerfalls betrachten. Die Störfrequenz ist 60Hz, die Amplitude wird langsam bis 5% erhöht und dann konstant gehalten. Dabei folgt unsere Kamera nun langsam dem Strahl bis weit außerhalb der Düse. Hier löst der Abreißvorgang eine Schwingung aus, die unterschiedliche Tropfenformen entstehen läßt. Hier in einer Naheinstellung. Noch stärker vergrößert, erkennt man deutlich das Reißen des Strahls, die Tropfenbildung und das anschließende Pulsieren einzelner Tropfen. Dabei liegen die Störamplituden noch unterhalb 5%.
Was geschieht, wenn man die Störamplitude bei 100Hz, weit über 5% hinaus, bis in die Größenordnung der Grundgeschwindigkeit steigert? Dann entstehen qualitativ völlig neuartige Veränderungen des Querschnitts. Bei höheren Störamplituden kommt es nämlich schon in Düsennähe zum Aufstau von Flüssigkeit unterschiedlicher Geschwindigkeit und zu einer seitlichen Abströmung, die hier bei kleinen Amplituden noch von der Oberflächenspannung verhindert wird.
Bei einem mit nur 20Hz gepulsten Strahl kann die Schwerkraft das Aufprallgebiet nach unten auseinanderziehen. Es kommt zum völligen Zerfall des Strahls. So entstehen bizarre Gebilde in Form eines Perlenkettenvorhangs. Früher gestartete Flüssigkeitsteilchen werden von jenen überholt, die später aus der Düse austreten. Besonder deutlich erkennt man dies in einem 5 cm breiten Ausschnitt.
Die Schwerkraft spaltet den gepulsten Strahl in mehrere nebeneinanderliegende Stränge auf. Auf eine Achse zusammengezogen, würden sie sich überlappen, und an gewissen Stellen entstände ein Stau.
Bei einem senkrecht nach unten fließenden Strahl wirkt die Schwerkraft in Richtung der Strahlachse. So wird auch verständlich, was wir jetzt mit Hilfe des vorher erläuterten Zeitlupeneffektes beobachten.
Ein dicker, peripherer schneller Strahlteil trifft auf einen dünnen. Es kommt zu einem Stau und zu seitlicher Abströmung einer Flüssigkeitslamelle. Im Vertikalstrahl benutzen wir eine Düse von 3,2 mm Durchmesser und einer Ausflußgeschwindigkeit von 4m/s. Konzentrisch zur Strahlachse entstehen eine Reihe bizarrer Gebilde. Die Stellen, wo sich Lamellen bilden, lassen sich theoretisch vorhersagen. Darauf hat die Oberflächenspannung zunächst nur geringen Einfluß. Erst später, strahlabwärts, bewirkt sie eine Formänderung.
Infolge der Krümmung und Verweilzeit der Flüssigkeitselemente zieht sich die Lamelle konzentrisch zur Achse zusammen. Am freien Lamellenende wirkt die Oberflächenspannung anders. Kleine Randstörungen rufen kleine Säulen hervor, die rasch in Tropfen zerfallen. So entsteht eine Krone. Später entsteht eine Flasche. Zuletzt bilden sich Blasen. Seitlich, oberhalb der Blase links, zwei Tropfen, die erstaunlich stationär bleiben und periodisch wiederkehren, auch bei den folgenden Blasen - offenbar als Folge kleiner Unregelmäßigkeiten am Düsenrand.
Dieser beeinflußt auch die Gestalt der Kronenstruktur. Bei langsamer Drehung der Düse wandern die Zacken im selben Drehsinn mit. Eine partielle Störung des Strahls, hier links von der Achse, ist nur von geringem Einfluß auf die Stabilität der rechten Kronenhälfte.
Dies zeigt besonders deutlich, daß örtliche und zeitliche Anfangsstörungen die zukünftige Form und Entwicklung des Strahls weitgehend vorausbestimmen. Instabilitäten infolge von Reibung und Oberflächenspannung spielen eine Nebenrolle. Kinematische Prozesse bestimmen hier, wie bei vielen instationären Vorgängen, die räumliche und zeitliche Struktur.
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