Nano- und Mikroskalenmodellierung

Motivation

Die Modellierung von Strömungsdynamik und Stofftransport im Mikro- und Nanobereich bei Phasenübergangsprozessen unter Berücksichtigung der Gefäßwände ist der Schwerpunkt unserer Forschungsarbeit. Die vorrangige Strategie besteht darin, Simulationen und Experimente im Mikro- und Nanobereich (z. B. DFT, Molekularsimulation, kinetisches Monte-Carlo-Verfahren, direkte numerische Simulation, Laserinterferometrie, Synchrotron- und Röntgenradiographie) anzuwenden, um ein grundlegendes Verständnis von Benetzungsphänomenen zu bekommen, wobei die lokale, momentane Schwingungsdynamik von Blasen und Tröpfchen von uns berücksichtigt wird. Die erlangten Erkenntnisse nutzen wir, um innovative Designs von Oberflächen für verschiedene Anwendungen wie Sieden, Kavitation und Sprühkühlung zu untersuchen. Dabei sollen sowohl Sicherheit als auch Wirtschaftlichkeit verbessert werden.

Blasenbezogen,  Kavitationsbezogen, Tröpfchenbezogen, Beispielhafte Anwendungen, Team Mitglieder, Projekte, Ausgewählte Publikationen.

Blasenbezogene Forschung

j.zhang@hzdr.de; s.vadlamudi@hzdr.de;

Ziele:

Das Hauptziel dieser Forschungsarbeit ist, die physikalischen Prinzipien aufzudecken, die die Morphologie von Mikroschichten bestimmen, sowie deren Folgen auf die Wärmeübertragung beim Blasensieden zu untersuchen. Konkret verfolgt diese Studie folgende Ziele:

1. Entwicklung eines grundlegenden Verständnisses von Entstehung und Verdunstung von Mikroschichten auf glatten und strukturierten Oberflächen und eine genaue Beschreibung der Morphologie der Mikroschichten.
2. Auf der Basis eines gründlichen Verständnisses der Wechselwirkungen zwischen Oberfläche und Mikroschicht soll ein vollständiger Zusammenhang zwischen den Eigenschaften der Oberfläche, der Morphologie der Mikroschicht und dem Wärmeübertragungsverhalten der Mikroschicht beim Blasensieden gewonnen werden.
3. Entwicklung einer Strategie für die Gestaltung von Oberflächen zur Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung der Mikroschicht und des Blasensiedens unter Berücksichtigung der bekannten Zusammenhänge.

Highlights:

• Ein multiskaliger Ansatz, der molekulardynamische Simulationen (MD), direkte numerische Simulationen (DNS) und experimentelle Forschung miteinander verbindet.
• Entwicklung einer Beschreibung der Morphologie von Mikroschichten mit drei Bereichen, die eine Brücke zwischen der Benetzungsdynamik im Nanobereich und den mesoskaligen Mikroschichtstrukturen schlägt.
• Erkennen unterschiedlicher Morphologien der Mikroschichten (unbeeinträchtigt, beeinträchtigt und zerstört) auf Oberflächen mit Mikrosäulenanordnungen und deren Einfluss auf die Wärmeübertragung.
• Experimentelle Überprüfung der Morphologie von Mikroschichten mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen und Synchrotron-Röntgentechniken.
• Erarbeitung von Grundsätzen für die Konstruktion hinsichtlich der Verbesserung der Wärmeübertragung beim Blasensieden durch Optimierung der Oberflächen.

Kavitationsbezogene Forschung

m.abdelsalam@hzdr.de

Ziele

Die Wechselwirkung zwischen Kavitation, Wirbeln und Turbulenz (CVT), und deren Auswirkungen auf Intensität, Lage und Form der Kavitation ist quantitativ noch nicht komplett verstanden. Deshalb lässt sich der begünstigende Effekt von CVT auf Diffusion und Reaktion von OH-Radikalen nicht bewerten. In unserem Projekt wird der Effekt der CVT-Wechselwirkungen auf Wirbelstreckung und -ausdehnung charakterisiert. Unsere auf direkten numerischen Simulationen (DNS) basierenden Mikroskalenmodelle werden den Ort und die Intensität kollabierender Hohlräume sowie die Reaktionen von OH-Radikalen quantitativ vorhersagen.

Ziele:

• Bestimmung des Einflusses der CVT-Wechselwirkung auf die Kavitation (DNS mit dem parallelen, hierarchischen Code PHASTA) im Maßstab von einigen Dutzend Blasen.
• mengenmääßige Bestimmung des Einflusses der damit verbundenen physikalischen Mechanismen auf die Konzentration und Diffusionsrate von OH-Radikalen mit DNS.
• Quantifizierung der Wechselwirkungen zwischen Diffusion und Reaktionen von OH-Radikalen unter Berücksichtigung der CVT-Wechselwirkung bei unterschiedlichen hydraulischen Bedingungen.

Tröpfchenbezogene Forschung

P.Zhao@hzdr.de

Ziele:

Die Kontaktwinkelhysterese (CAH) spielt eine bedeutende Rolle bei der Steuerung der Dynamik von Tröpfchen auf festen Oberflächen und hat starken Einfluss auf industrielle Anwendungen wie Sprühkühlung, Tintenstrahldruck und Beschichtungsverfahren. Tröpfchen treffen auf Oberflächen mit niedriger CAH auf und bewegen sich mit minimalem Widerstand entlang der Kontaktlinie, während eine hohe CAH eine feststehende Kontaktlinie bewirkt. Trotz intensiver Forschungen sind die Auswirkungen von CAH auf die Variabilität der Form von Tröpfchen nach wie vor kaum verstanden. In unserer Studie untersuchen wir die Tröpfchendynamik auf funktionalisierten Oberflächen mit unterschiedlicher CAH, zeigen die zugrundeliegenden Mechanismen auf, die die Unterschiede bei der Tropfenform bedingen und liefern Erkenntnisse, die zur Optimierung des Oberflächendesigns für fluidtechnische Anwendungen führen können.

Anwendungsbeispiele:

Unser grundlegendes Verständnis haben wir auf praktische Anwendungen erweitert. Hier werden zwei exemplarische Anwendungen vorgestellt. Einmal handelt es sich um den optimierten Mikrokanal-Wärmetauscher mit fraktaler Struktur und zum anderen um verdrillte Wärmetauscherrohre. Bei diesen beiden Arbeiten haben wir in Zusammenarbeit mit unserer CFD-Abteilung die Methode der Multizieloptimierung (genetischer Algorithmus) sowie den E/E-Mehrphasen-Simulationscode eingesetzt.

Team-Mitglieder

Verwendete Messgeräte, Anlagen und Rechenprogramme

• Hochgeschwindigkeits-/Infrarot-Kamera, thermische Anemometriesonden, Siedeversuchsanlage, Tröpfchenversuchsanlage, Mikrofokus-CT-Röntgenanlage, Hochgeschwindigkeits-Röntgentomograph ROFEX, hochauflösende Synchrotron-Röntgenanlage, RC 318-Schleife, MORENA für CHF.
• Werkzeuge für die numerische Strömungsmechanik: DNS-Code: Eigenentwicklung auf Basis von Basilisk, PHASTA, MD-Code: LAMMPS, Code zur Zerlegung in Schwingungsmodi, LNN.

Verwandte Projekte:

BMWi-NUBEKS (2014-2019), BMBF-SINEWAVE (2021-2025), EU-MSCA-DN Cavipro (2023-2028), A.v. Humboldt (2024-2026), TUD-Bereich Ingenieurwissenschaften EvoBub (2024-2025), TUD-Bereich Ingenieurwissenschaften EvoDrop (2024-2025), CSC, GEP, DST-DAAD,  qFLOW (ein Projekt der Helmholtz Forschungsinitiative, 2026-2029), ENAMIC (ein DFG Projekt, 2026-2029), Gemeinsames Doktoratsstudium im HZDR (2026-2029).

Kooperationspartner:

IFUNSURF, TU Dresden (TUD), Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden (IPF), North Carolina State University (NC State), Universität Peking, PolyU, KIT, Seoul National University (SNU), IIT Bombay, Sabanci University (SU), Inha University (IU), CUMT, etc.

Ausgewählte Publikationen

• Zhou, M.; Lin, Y.; Geng, Z.; Zhang, F.; Zhou, L.; Shen, Y.; Zhang, L.; Ding, W.; Bonaccurso, E.;; Chen, L.; Wallmersperger, T.; Zhao, B.; Auernhammer, G. (2026);
  Dual pathways of air cavity evolution during droplet impact on superhydrophobic nanoporous surfaces;
  Physical Review Letters 136(11) 114001;
• Dai, H.; Ding, W.; Schwarzenberger, K.; Vadlamudi, S.R.G.; Yang, X.; Eckert, K. (2026);
  Interfacial mass transfer enhancement induced by bubble bouncing and shape oscillations;
  Journal of Colloid and Interface Science, 140205;
• Zhao, P.; Vadlamudi, SRG.; Zhou, M.; Zhao, B.; Huang, J.; Auerhammer, GK.; Hampel, U.; Ding, W. (2026);
  Large contact angle hysteresis enhances post-impact droplet oscillations;
  Droplet e70047;
• Yu, F.; Luo, X.; Hampel, U.; Wang, Q.; Ding, W. (2026);
  Experimental study of flow boiling performance in novel space-filling fractal-tree minichannel rectangular heat sinks;
  Applied Thermal Engineering, 288 (1) 129577;
• Manthey, J.; Ding, W.; Mehdipour, H.; Guesmi, M.; Unz, S.; Hampel, U.; Beckmann, M. (2025);
  Growth of a Single Bubble Due to Super-Saturation: Comparison of Correlation-Based Modelling with CFD Simulation;
  ChemEngineering 9(3), 63; https://doi.org/10.3390/chemengineering9030063;
• Bashkatov, A.; Bürkle, F.; Demirkır, Ç.; Ding, W.; Sanjay, V.; Babich, A.; Yang, X.; Mutschke, G.; Czarske, J.; Lohse, D.; Krug, D.; Büttner, L.; Eckert, K. (2025);
  Electrolyte spraying within H₂ bubbles during water electrolysis;
  Nature Communication 16, 4580 https://doi.org/10.1038/s41467-025-59762-7;
• Zhang, J.; Li R., Vadlamudi S.R.G, Pang C.; Hampel U.; Ding W.; (2025);
  Heat transfer enhancement for nucleate boiling via microlayer disruption on micro pillar arrayed surfaces;
  International Journal of Heat and Mass Transfer 241, 126770;
• Wu, W.; Hampel, U.; Ding, W.*; Sun, B. (2025);
  A numerical study on heat transfer and boiling crisis in twisted heat exchanger tubes;
  International Journal of Heat and Mass Transfer 241, 126745;
• S.R.G. Vadlamudi; Moiz, M; Srivastava, A; Hampel, U.; Ding, W. (2024);
  On the Quantification of Microlayer Contribution towards Bubble Growth under Subcooled Flow Boiling Regime;
  Physics of Fluids 36, 9, 091706;
• Bois, G.; Ding, W.; etc. (2024);
  Benchmark DEBORA: Assessment of MCFD compared to high-pressure boiling pipe flow measurements;
  International Journal of Multiphase Flow 179, 104920;
• Wu, W.; Ding, W.*; Hampel, U.; Sun, B. (2024);
  Analysis of the influence of swirling flow on the boiling heat transfer characteristics of two-phase flow;
  International Journal of Heat and Mass Transfer 221, 125075;
• Dai, G.; Huang, J.; Ding, W.; Qiu, L.; Zhang, W.; Gu Q.; Wang, Z.; Hu, Z.; Duan, C.; Li P. (2024);
  Orientational mercury removal from aqueous solution using CuxS nanocluster anchored attapulgite;
  Chemical Engineering Journal 482, 1488831;
• Maestri, R.; Radhakrishnakumar, S.; Bürkle, F.; Ding, W.; Büttner, L.; Czarske, J.; Hampel, U.; Lecrivain, G. (2024);
  Equilibrium Taylor bubble in a narrow vertical tube with constriction;
  Physics of Fluids 36, 032108;
• Yu F.; Ding, W.*; Luo X.*; He B.; Hampel U. (2023);
  Multi-objective optimization of fractal-tree microchannels in a rectangular heat sink by a distributed-adaptive genetic algorithm;
  International Journal of Heat and Mass Transfer 217,124672;
• Zhang, J.; Rafique J.; Ding, W.*; Bolotnov I.; Hampel U. (2023);
  A direct numerical simulation study to elucidate the enhancement of heat transfer for nucleate boiling on surfaces with micro-pillars;
  International Communications in Heat and Mass Transfer 147, 106943;
• Zhang, J.; Rafique J.; Ding, W.*; Bolotnov I.; Hampel U. (2023);
  Direct numerical simulation of microlayer formation and evaporation underneath a growing bubble driven by the local temperature gradient in nucleate boiling;
  International Journal of Thermal Sciences 193, 108551;
• Zhang, J.; Ding, W.*; Hampel U. (2023);
  How droplet pin on solid surfaces;
  Journal of Colloid and Interface Science 640, 940-948;
• Zhang, J.; Ding, W.*; Wang, Z.; Wang H.; Hampel U. (2023);
  Microscopic fluid-gas interface effect on liquid wetting;
  Journal of Colloid and Interface Science, 813-822;
• Setoodeh, H.; Moonesi Shabestary, A.; Ding, W.*; Lucas D.; Hampel U. (2022);
  CFD-Modelling of Boiling in a Heated Pipe Including Flow Pattern Transition;
  Applied Thermal Engineering, 117962;
• Setoodeh, H.; Ding W.*; Lucas D.; Hampel U. (2021);
  Modelling and simulation of flow boiling with an Eulerian-Eulerian approach and integrated models for bubble dynamics and temperature-dependent heat partitioning;
  International Journal of Thermal Sciences 161, 106709;
• Zhang, X.; Wu, J.; Zhang, H; Ding, W.; Zhang, J. (2021);
  Visualization of Liquid Reaction in Submerged Top‐blow Agitation Process;
  Fuel Cells 21(1), 18-23;
• Ding, W.*; Zhang, J.; Sarker D.; Hampel U. (2020);
  The role of microlayer for bubble sliding in nucleate boiling: a new viewpoint for heat transfer enhancement via surface engineering;
  International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol 149 119239;