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Jun 27, 2023

Untersuchung bimodaler Eigenschaften der Tropfengrößenverteilung in Kondensationsspray

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12006 (2023) Diesen Artikel zitieren 211 Zugriffe auf Metrikdetails Um den Entstehungsprozess von Tröpfchen in der Luft beim Ausatmen zu verstehen, wird diese Studie durchgeführt

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Um den Entstehungsprozess luftgetragener Tröpfchen beim Ausatmen zu verstehen, untersucht diese Studie den Mechanismus der bimodalen Eigenschaften der Größenverteilung von Tröpfchen, die in einem kondensierten Sprühstrom erzeugt werden. Der Phasenänderungsprozess im kondensierten Sprühstrom wurde auf der Grundlage der mit einem Phasen-Doppler-Partikelanalysator gemessenen Tröpfchengrößenverteilung und der mit einem Thermistor gemessenen Temperaturverteilung geschätzt. Auf der Mittelachse war die Größenverteilung im Sprühinneren unimodal. Im Gegensatz dazu wurde eine Bimodalität der Größenverteilung am äußeren Rand des Sprühstroms beobachtet. Am Rand der Sprühströmung bildete sich ein großer Temperaturgradient aus. Dies weist darauf hin, dass am äußeren Rand aktiv Kondensation stattgefunden hat. Aus dem gleichen Grund wie oben dargelegt schritt die Kondensation in der Sprühmitte nicht voran, da am äußeren Rand durch die Kondensation Wasserdampf verbraucht wurde, und der Tropfendurchmesser änderte sich nicht wesentlich. Aufgrund des Unterschieds im lokalen Phasenänderungsprozess zwischen der Mitte und dem äußeren Rand des Sprays können im mittleren Bereich gleichzeitig große und kleine Tröpfchen vorhanden sein. Dadurch ist die Größenverteilung des Kondensationssprays bimodal.

COVID-19 wurde erstmals Ende 2019 in der chinesischen Stadt Wuhan identifiziert und hat sich seitdem weltweit verbreitet. Es mutiert weiter und verwüstet die Welt. Es sind machbare und vernünftige Maßnahmen, um „luftdicht“, „dicht“ und „dicht“ in dem Stadium zu vermeiden, in dem die Gegenmaßnahme noch nicht etabliert ist, nicht nur für die neuartige infektiöse Viruserkrankung Coronavirus, sondern auch für jede unbekannte Luft-/Tröpfcheninfektion. Die Gegenmaßnahme zur „Luftdichtheit“ ist die Belüftung des Raumes und die Luftreinigung. Diese Technologie kann einen Beitrag zum Maschinenbau und zur Fluidtechnik leisten. Wei und Li1 fassten die Aerosolinfektion im Innenraum zusammen. Sie erwähnten, dass die Reichweite der Übertragungswege vom Durchmesser des Tröpfchens abhängt. Daher ist der Transport von Tröpfchen durch den im Innenraum erzeugten Luftstrom von entscheidender Bedeutung für die Gestaltung und Bewertung des Lüftungssystems. Bei der Gestaltung der Anordnung von Lüftungssystemen, Luftreinigungssystemen und Sterilisatoren sollten der Diffusionsweg und die Luftverbreitungsdauer von Tröpfchen auf der Grundlage von Theorie und numerischer Analyse vorhergesagt werden. Als Reaktion auf dieses neuartige Coronavirus führen Forscher auf dem Gebiet der numerischen Strömungsmechanik weltweit numerische Analysen von Tröpfchen durch. Stiehl et al.2 führten eine numerische Simulation des Transports und der Verdunstung von Tröpfchen durch, die durch Niesen freigesetzt werden. Oh et al. führten eine numerische Flüssigkeitsanalyse der Raumbelüftung3 durch und verglichen numerisch die Entfernungseffizienz von Tröpfchen und Tröpfchenkernen, die durch Husten verursacht wurden, zwischen mechanischer Belüftung und natürlicher Belüftung. Die von Tsubokura geleitete Forschungsgruppe reproduzierte auch numerisch die Streuung von Tröpfchen und Aerosolen sowie die Auswirkungen der Belüftung in verschiedenen Innenräumen4 und Grillplätzen im Freien5 durch eine groß angelegte numerische Analyse mit Fugaku6. Darüber hinaus wurde der Tröpfchentransport in vielen Situationen simuliert, beispielsweise im Klassenzimmer7, im Restaurant8, im Stadtbus9, im Flugzeug10 und in der Klimaanlage11.

Bei der Analyse der rechnergestützten Fluiddynamik wurde die Bewegung von Tröpfchen auf Lagrange-Weise mithilfe einer Bewegungsgleichung verfolgt, die die aerodynamische Kraft basierend auf der Relativgeschwindigkeit zur Umgebungsluft für jedes Tröpfchen berücksichtigt. Die Geschwindigkeit und Position der Tröpfchen wurden durch Zeitverfolgung5 ermittelt. Für aus dem Mund erzeugte Tröpfchen werden auf Basis der Messdaten aus Experimenten die zeitliche Variation der Flussrate und die Tröpfchengrößenverteilung von Phonation und Husten als Randbedingungen angegeben. Als Beispiel für Tröpfchenmodelle haben Bale et al. verwendete ein sprechendes Modell4. Darüber hinaus gibt es mehrere Tröpfchenmodelle, die auf tatsächlichen Messungen basieren, wie z. B. ein Hustenmodell12,13, ein Niesmodell14, ein Fall, bei dem der Mund auch beim Husten geöffnet und geschlossen ist14, ein Gespräch mit normaler Lautstärke und ein Gespräch mit lauter Stimme5 . Wie in diesen Modellen gezeigt wird, werden die Schwankungen der Tröpfchenzahl und der Flussrate durch die Sprache, die Sprechform und individuelle Unterschiede beeinflusst, und der Unterschied hängt maßgeblich von der Literatur ab. Um eine Analyse mit numerischer Strömungsmechanik durchzuführen, die den tatsächlichen Phänomenen besser entspricht, sollten mehr Messdaten gesammelt und eine Datenbank mit Modelltröpfchen erstellt werden, die detaillierter sind, beispielsweise die Erzeugung von Tröpfchen in den Atemwegen15.

Tröpfchen, die Infektionen übertragen, werden durch Atemaktivitäten wie Husten, Niesen, Sprechen und Atmen aus den Atemwegen freigesetzt. Man geht davon aus, dass Atemtröpfchen durch folgende Mechanismen erzeugt werden: scherinduzierte Oberflächenwelleninstabilität in der Atemwegsauskleidungsflüssigkeit16, Mundhöhlenmodus17, Filmriss im Bronchiolalast18. Die Zeitskalen einzelner Tröpfchen wurden durch die Kombination von Verdunstung und Fallverhalten durch die Schwerkraft abgeschätzt19,20. Die physikalisch-chemischen Eigenschaften, die das Virus in einem Tröpfchen während der Verdunstung beeinflussen, wurden von Vejerano und Marr21 bewertet. Die oben genannten Studien konzentrierten sich auf das Verhalten einzelner Tröpfchen. Die erzeugten Tröpfchen weisen jedoch eine breite Größenverteilung mit Durchmessern im Bereich von weniger als einem Mikrometer bis zu mehreren hundert Mikrometern auf. Anhand dieser Daten bewerteten de Oliveira et al.22 die Virusaktivität im Tröpfchen mithilfe eines Modells des Stofftransports durch Verdunstung. Johnson et al.23 haben die Größenverteilung der beim Husten und Sprechen erzeugten Aerosole gemessen. Darüber hinaus haben Morawska et al.24 sowohl die Größenverteilung als auch die Konzentration der Tröpfchen während der Ausatmungsaktivitäten gemessen. Almstrand et al.25 haben ausgeatmete Partikel mithilfe eines optischen Partikelzählers im Bereich von 0,3–2,0 \(\upmu \hbox {m}\) gemessen. Lindsley et al. Außerdem wurde die Größenverteilung der beim Husten und Sprechen erzeugten Aerosole gemessen. Sie berichteten, dass die durchschnittliche Anzahl erzeugter Tröpfchen zu Beginn der Krankheit 75.400 und zu Beginn der Krankheit 52.200 betrug26. Asadi et al. berichteten, dass allein durch das Sprechen je nach Lautstärke etwa 1–50 Tröpfchen pro Sekunde erzeugt werden, auch wenn die Atemaktivität nicht so intensiv wie Husten oder Niesen ist und nicht sichtbar ist27. In Bezug auf die Größenmerkmale von Aerosolen, einschließlich SARS-CoV-2, haben Liu et al. untersuchten ein Krankenhaus in der Stadt Wuhan, China, wo es zu Masseninfektionen kam, und meldeten Spitzenwerte von 0,25–1,0 \(\upmu \hbox {m}\) und 1 \(\upmu \hbox {m}\) oder mehr28.

Wie oben in mehreren Fällen beschrieben, gibt es zwar Unterschiede aufgrund von Husten, Niesen, Gesprächen, Sprache und individuellen Unterschieden bei den aus dem Mund austretenden Tröpfchen, ein gemeinsames Merkmal ist jedoch, dass die Größenverteilung der Tröpfchen bimodal ist5,28. Im Gegensatz dazu ist bekannt, dass es in einem Sprühstrom, in dem Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit aus einer Düse austritt und durch die Zerstäubung von Flüssigkeit aufgrund der Instabilität der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche entsteht, einen einzelnen Peak in der Größenverteilung gibt zerstäubter Tröpfchen29,30,31. Man kann davon ausgehen, dass die Tröpfchengrößenverteilung bimodal ist, da die Zerstäubungs- und Verdunstungs-/Kondensationsprozesse von mehreren Faktoren beeinflusst werden, wie z. B. der Form der Mundhöhle, instationärer Ausflussrate, Viskosität des Speichels, Kolloideffekt eines festen Fremdkörpers wie z Bakterien sowie Temperatur- und Druckunterschiede zwischen Körper und Außenluft. Unter diesen Elementarprozessen ist der Phasenwechsel, insbesondere die Bildung und das Wachstum von Tröpfchen durch Kondensation, unbekannt. Da ausgeatmete Luft eine große Menge Wasserdampf enthält, kann das Verständnis des Prozesses, durch den Wasserdampf in der Luft kondensiert, zum Verständnis der Aerosolbildung beitragen. Da das Tropfenwachstum durch Kondensation im Raum stattfindet, ist es wichtig, die räumliche Änderung des Tropfendurchmessers und der Partikelgrößenverteilung auszuwerten.

Daher wurde in dieser Studie ein grundlegendes Experiment zur Sprühströmung durchgeführt, die durch die Kondensation von Wasserdampf erzeugt wird, wobei der Schwerpunkt auf den Verdampfungs- und Kondensationsprozessen lag. Besonderes Augenmerk wurde auf die räumliche Variation der Tropfeneigenschaften gelegt. In der Kondensationsdüse wird Dampf mit hoher Temperatur und hohem Druck bei Raumtemperatur in die Atmosphäre abgegeben, wobei durch die Kondensation bei gleichzeitiger Temperaturabsenkung Nebel entsteht. Für den Kondensationsspraystrom wurden die Größenverteilung des Tropfendurchmessers und die Strömungsgeschwindigkeit mit einem Phasen-Doppler-Partikelanalysator (PDPA) gemessen. Außerdem wurde die räumliche Temperaturverteilung gemessen. Basierend auf den Messdaten wurde der Entstehungsmechanismus der Bimodalität der Größenverteilung diskutiert.

Abbildung 1a zeigt eine schematische Darstellung des Systems zur Erzeugung kondensierter Sprays. Das Versuchssystem bestand aus einem Druckbehälter, einer Sprühdüse, einer Kolbenpumpe und Messgeräten. Der Drucktank speicherte Wasser bei Temperaturen über 100 \(^{\circ }\hbox {C}\), und die Durchflussrate wurde durch Betätigung eines Ventils gesteuert, das zwischen dem Drucktank und der Sprühdüse installiert war. Mit einer Kolbenpumpe wurde Wasser mit einer Temperatur von 90 °C in den Druckbehälter gefördert. Der Druckbehälter wurde mit einer Heizung beheizt, die mit einem Temperaturregler ausgestattet war. Darüber hinaus wurde die Übertragungsleitung zwischen Drucktank und Sprühdüse durch die Heizung erwärmt, um die Kondensation von Dampf im Rohr und in der Düse zu verhindern. Abbildung 1b zeigt die Querschnittsansicht der Sprühdüse. Der Innendurchmesser des Einlasses betrug 4,8 mm und der Kanal wurde kegelförmig mit einem Spitzenwinkel von 118 \(^{\circ }\) auf einen Durchmesser von 1 mm verengt.

Der Druckbehälter wurde mit destilliertem Wasser gefüllt und auf 120 \(^{\circ }\hbox {C}\) erhitzt. Der Dampf wurde durch Öffnen des mit der Düse verbundenen Ventils in die Atmosphäre abgegeben. Der austretende Dampf expandierte und kühlte nach dem Durchgang durch die Düse ab, und durch Kondensation bildete sich ein Tropfen. In dieser Studie wurden die Tropfengrößenverteilung, die Tropfengeschwindigkeit und die Temperatur als Merkmale der Sprühströmung gemessen. Abbildung 1c zeigt die Definition der Koordinaten und Messpunkte.

Abbildung 1d zeigt den Versuchsaufbau für den Zerstäubungsspray. Der von diesem System erzeugte Sprühnebel ist ein Ausfluss von Hochdruckflüssigkeit, die aufgrund der Flüssigkeitsinstabilität in Tröpfchen zerfällt. Der Zerstäubungsprozess des Kondensationssprays wird durch einen Vergleich der Ergebnisse von Kondensation und Zerstäubung diskutiert. Der Düsendurchmesser betrug 20 \(\upmu \hbox {m}\) und destilliertes Wasser wurde mit 10 MPa und 10 ml/min versprüht.

Beschreibungen experimenteller Systeme und Definition von Messpunkten.

Eine PDPA ist eine berührungslose Messmethode, die die gleichzeitige Messung des Durchmessers und der Geschwindigkeit jedes Tropfens in einer Richtung ermöglicht, während ein Tropfen in einem von zwei Laserstrahlen gebildeten Inspektionsvolumen passiert. Es wurde das von Dantec Dynamics Co. Ltd. hergestellte Messsystem verwendet. Es wurde ein Ar-Laser mit 514,5 nm verwendet. An jedem räumlichen Standort wurden jeweils 10.000 Tröpfchen beprobt. Für die statistische Analyse wurde das 85 %-Perzentil angepasst, um Ausreißer herauszufiltern. Der mittlere Sauter-Durchmesser wurde als repräsentativer Wert der Tröpfchengrößenverteilung ausgewertet, ausgedrückt durch die folgende Gleichung:

wobei \(d_i\) den Tropfendurchmesser bezeichnet und \(n_{i}\) die Anzahl der Tropfen mit dem Durchmesser \(d_i\) darstellt.

Die lokale Temperatur innerhalb des Sprühstroms wurde mit einer Thermistorsonde (N317 /BR14KA103K /23300 /RPS /3 /SP, Nikkiso-Thermo Co., Ltd.) gemessen. Der Thermistorchip ist in einem Polyimidrohr mit Epoxidharz umschlossen und der Außendurchmesser der Erfassungsposition beträgt 0,6 mm. Der elektrische Widerstand des Thermistors wurde mit einem Digitalmultimeter (DMM4040, Tektronix Co., Ltd.) gemessen. Die räumliche Position der Thermistorsonde wurde mithilfe eines XZ-Tischs eingestellt.

Abbildung 2 zeigt eine Momentaufnahme des Kondensationssprays und Abbildung 3 zeigt das Beispiel der räumlichen Verteilung der Durchschnittsgeschwindigkeit in z-Richtung. Die Axialgeschwindigkeit variiert zwischen 53,0 m/s am Austritt der Düse und 4,75 m/s, der Endgeschwindigkeit.

Foto von Kondenswasser.

Achsengerichtete Geschwindigkeitsverteilung des kondensierten Sprühstrahls.

Abbildung 4 zeigt die Größenverteilung der Tröpfchen im Sprühstrom an jeder räumlichen Position. Hier werden in fast allen Verteilungen kleine Peaks um 80 \(\upmu \hbox {m}\) beobachtet. Diese Spitzen entsprechen dem spezifischen Bias-Fehler im verwendeten PDPA-System. Die Balken stellen die Tröpfchenzahl für jeden Durchmesser dar und die Linie wird durch die Kerneldichteschätzung mit einem Gaußschen Kernel bestimmt.

Erstens ändert sich bei x = 0 mm die Form der Verteilung bei keinem z, und Tröpfchen, die kleiner als 20 \(\upmu \hbox {m}\) sind, dominieren. Darüber hinaus finden sich bei z = 176 mm, was ausreichend flussabwärts liegt, ähnliche Verteilungen an allen x-Standorten. Mit anderen Worten: Die Größenverteilung des Sprays ist in dem hinreichend stromabwärts gelegenen Raum gleichmäßig.

Im Gegensatz dazu zeigen die Messwerte der Position (x, z) = (12 mm, 10 mm), (12 mm, 50 mm) und (16 mm, 50 mm) am äußeren Rand des Sprays eine bimodale Größenverteilung . Zusätzlich zu Tröpfchen von 20 \(\upmu \hbox {m}\) oder weniger, die an anderen Punkten beobachtet werden, bildet sich eine Verteilung mit einem Peak um 30–50 \(\upmu \hbox {m}\).

Größenverteilungen der kondensierten Sprühströmung an räumlich spezifischen Punkten.

Abbildung 5 zeigt die Verdampfungszeitskala und die durchschnittliche Axialgeschwindigkeit auf der Mittelachse. Die durchschnittliche verstrichene Zeit des Tröpfchens an der Position z wird wie folgt berechnet:

Die Ordinate von Abb. 5 ist die normalisierte Oberfläche basierend auf dem anfänglichen Tropfen. Wie in Abb. 5 dargestellt, nimmt die Oberfläche von Tröpfchen bis zu 1 ms linear ab und der Trend folgt dem \(d^2\)-Gesetz32.

Die durchschnittliche Oberfläche nahm im Frühstadium um fast 0,6 ab und nahm nach 1 ms zu. Danach sank er wieder auf einen Wert von etwa 0,4.

Abbildung 6a zeigt die Verteilung des mittleren Sauter-Durchmessers des kondensierten Sprays entlang der x-Achse. Darüber hinaus sind in Abb. 6b die allgemeinen Ergebnisse des Experiments zur Flüssigkeitszerstäubungsdüse (Abb. 1d) dargestellt, um den Zerstäubungsprozess zu vergleichen. Der von dieser Düse erzeugte Sprühnebel ist ein Ausfluss von Hochdruckflüssigkeit, die aufgrund der Flüssigkeitsinstabilität in Tröpfchen zerfällt. Bei kondensiertem Spray hat der Tropfendurchmesser am äußeren Rand des Sprays einen signifikanten Maximalwert an einem Punkt 50 mm von der z-Achse entfernt und nimmt dann stromabwärts ab. Bei z = 176 mm wird der mittlere Sauter-Durchmesser in x-Richtung gleichmäßig, wie in den vorherigen Ergebnissen. Im Fall eines zerstäubten Sprays ändert sich der mittlere Sauter-Durchmesser im Raum jedoch im Vergleich zu dem des kondensierten Sprays nicht wesentlich.

Zeitliche Variation der gemittelten Tröpfchenoberfläche und der Axialgeschwindigkeit auf der Mittelachse.

Räumliche Verteilung des mittleren Sauter-Durchmessers.

Abbildung 7 zeigt die räumliche Temperaturverteilung einer kondensierten Sprühströmung. Hier wird der Temperaturunterschied zur Umgebungstemperatur angezeigt. Da der Dampf in der Düse 120 \(^{\circ }\hbox {C}\) hat, ist die Temperatur unmittelbar nach dem Sprühen hoch, sinkt jedoch schnell ab. Auf der z-Achse nimmt die Temperatur allmählich ab, während die Temperatur um den Spray herum schnell auf etwa Raumtemperatur absinkt. Anschließend werden die Temperaturverteilungen in x- und z-Richtung im Detail untersucht.

Abbildung 8 zeigt die Temperaturschwankung vom Düsenaustritt bis 100 mm stromabwärts der Z-Achse. Die in Abb. 6a berechnete Änderung des mittleren Sauter-Durchmessers ist ebenfalls aufgetragen. Es ist zu beobachten, dass die Temperatur entlang der z-Achse monoton abnimmt. Im Gegensatz dazu nimmt der mittlere Sauter-Durchmesser bis zu einem Extremwert von 100 mm stromabwärts ab und nimmt dann zu.

Abbildung 9 zeigt die radialen Temperaturverteilungen bei 10, 50 und 100 mm entlang der z-Achse. Die in Abb. 6a dargestellte räumliche Verteilung der mittleren Sauter-Durchmesser ist ebenfalls aufgetragen. Auf der Mittelachse des Sprays ist an allen Positionen die Temperatur am höchsten und der mittlere Sauter-Durchmesser am niedrigsten. Es ist zu beobachten, dass der mittlere Sauter-Durchmesser mit abnehmender Temperatur in x-Richtung zunimmt. An einer deutlich weiter entfernten Position in x-Richtung bildet sich ein Bereich, in dem die Temperatur niedriger als die Raumtemperatur ist.

Räumliche Verteilung der Temperaturschwankung zur Umgebungstemperatur im Kondensationssprühstrom.

Achsengerichtete Geschwindigkeitsverteilung des kondensierten Sprühstrahls.

Achsengerichtete Geschwindigkeitsverteilung des kondensierten Sprühstrahls.

Wie in der Einleitung beschrieben, deuten frühere Untersuchungen darauf hin, dass die Größenverteilung der beim Ausatmen erzeugten Tröpfchen bimodale Merkmale aufweist. In dieser Studie wurde, wie in Abb. 4 dargestellt, Bimodalität in der Größenverteilung an den Positionen (12 mm, 10 mm), (12 mm, 50 mm) und (16 mm, 50 mm) des kondensierten Sprays beobachtet fließen. Dabei werden die Bimodalitätsbildung und der Tropfenwachstumsprozess in der kondensierten Sprühströmung betrachtet.

Zunächst wird die Entstehung der Bimodalität anhand der Variation der physikalischen Größen in radialer Richtung diskutiert. Abbildung 10 zeigt einen Überblick über diese Diskussion. Wie in Abb. 10 dargestellt, weist die Mitte des kondensierten Sprühstroms eine hohe Temperatur auf, und die Temperatur nimmt zum äußeren Rand hin ab. Es wird davon ausgegangen, dass die Tröpfchen und der Wasserdampf an dem Punkt abgekühlt werden, an dem die Temperatur sinkt und die Tröpfchen wachsen. Daher wird in diesem Bereich ein großes Tröpfchen erzeugt, das dem zweiten Peak entspricht.

Schematische Darstellung der Verteilung physikalischer Größen in radialer Richtung zur Erläuterung des Entstehungsmechanismus der Bimodalität.

Da der Wasserdampf in der Sprühströmung in diesem Bereich aufgrund des Tröpfchenwachstums aktiv verbraucht wird, sollte Wasserdampf vom mittleren Bereich in den aktiv kondensierenden Bereich transportiert werden. Mit anderen Worten: Die für das Tröpfchenwachstum erforderliche Wasserdampfmenge reicht im Bereich der Kondensationsregion nicht aus. An der zentralen Position entlang der z-Achse bleibt das Tröpfchen klein, wie die Variation des mittleren Sauter-Durchmessers in den Abbildungen zeigt. 5 und 8. Das Fehlen eines Tröpfchenwachstums durch Kondensation trotz des Temperaturabfalls lässt darauf schließen, dass die Luftfeuchtigkeit in dieser Region nicht übersättigt ist. Bei der Variation entlang der z-Achse nimmt der mittlere Sauter-Durchmesser bis zu 30 mm stromabwärts leicht ab, und hier ist eine Verdunstung möglich, wie in Abb. 5 dargestellt.

Wie in Abb. 9 dargestellt, wird am Fuß der Temperaturverteilung der Temperaturbereich niedriger als die Raumtemperatur bestätigt. Es wird davon ausgegangen, dass es in dieser Region zu einem Temperaturabfall aufgrund der Verdunstung von Tröpfchen kommt. Hier kommt es aufgrund der geringen Luftfeuchtigkeit zu einer Verdunstung der Tröpfchen; Dadurch sinkt die Temperatur stärker als die Umgebungstemperatur. Bei z = 100 mm wurde die PDPA-Messung bis x = 14 mm durchgeführt und es wurde keine Bimodalität in der Größenverteilung beobachtet, wie in Abb. 4 dargestellt. Wie aus der Temperaturverteilung abgeleitet wird, kann jedoch außerhalb ein bimodaler Zustand vorliegen x = 14 mm. Wie in Abb. 4 dargestellt, waren die mittleren Sauter-Durchmesser in der x-Achsenrichtung 176 mm stromabwärts gleichmäßig. Obwohl die Temperatur bei z = 176 mm nicht gemessen wurde, wurde davon ausgegangen, dass überschüssiger Wasserdampf bereits durch die Tropfenentwicklung durch Kondensation verbraucht wurde und die Verdunstung dominierte.

Daher gibt es in der Kondensationssprühströmung zwei Bereiche im Inneren: den äußeren Sprührand, wo Tröpfchen mit großem Durchmesser aufgrund der Kondensation zunehmen, und das Sprühzentrum, wo Tröpfchen mit kleinem Durchmesser aufgrund der Verdunstung bei hohen Temperaturen zunehmen. Die Bimodalität der Größenverteilung soll durch Addition beider Tropfengrößenverteilungen gebildet werden. Abbildung 11 zeigt schematisch die dreidimensionale Struktur der Sprühströmung kondensierter Tröpfchen. Es wird davon ausgegangen, dass die Verdunstung in der Mitte des Sprühbereichs aufgrund der relativ geringen Luftfeuchtigkeit, die durch den Wasserdampfstrom verursacht wird, gefördert wird und dass die Kondensationsveränderungen am äußeren Rand des Sprühbereichs auftreten, wo die Partikelgröße zunimmt. Die Bimodalität der Größenverteilung lässt sich an einem zwischen den beiden Regionen liegenden Punkt erkennen.

Schematische Darstellung der dreidimensionalen Struktur des Phasenwechselbereichs in der kondensierenden Sprühströmung.

Das Ausatmen wird im Moment des Ausatmens von einer komplexen Wirbelstruktur begleitet, wie der von Gupta et al.13 vorgestellte Ausstoßprozess beim Husten und Niesen zeigt, wenn die Tröpfchen der bimodalen Verteilung folgen und durch den in dieser Studie gezeigten Prozess der Kondensation und Verdunstung entstehen durch den komplizierten Exspirationsfluss transportiert werden, sollte die Bimodalität im Raum stärker gefördert werden.

Diese Studie untersuchte den Mechanismus bimodaler Eigenschaften in der Größenverteilung von Tröpfchen, die in der ausgeatmeten Luft erzeugt werden. Der Phasenwechselprozess in einem kondensierten Sprühstrom wurde anhand der Messungen der Tröpfchengrößenverteilung und der Temperaturverteilung mithilfe von PDPA geschätzt. Die Erkenntnisse lauten wie folgt:

Auf der Mittelachse wurde im Inneren des Sprays ein einzelner Peak beobachtet. Bimodalität wurde in der Größenverteilung am äußeren Rand des Sprühstroms beobachtet. Dies weist darauf hin, dass am äußeren Rand Kondensation aktiv war. Da dagegen die Größenverteilung bei \(z =\) 176 mm stromabwärts des Sprays räumlich gleichmäßig war, wird angenommen, dass die Tröpfchen einen Gleichgewichtszustand erreicht haben.

Vor dem kondensierten Sprühstrom war die Temperatur außerhalb des Sprühnebels niedriger als die Raumtemperatur. In diesem Bereich geht man davon aus, dass der Wasserdampf im Raum in dem oben genannten Bereich, in dem die Kondensation aktiv ist, verbraucht wird, so dass die relative Luftfeuchtigkeit sinkt und die Temperatur aufgrund der Verdunstung der Tröpfchen sinkt.

Aus dem gleichen Grund wie oben dargelegt schritt die Kondensation im mittleren Teil des Sprühnebels aufgrund des Wasserdampfverbrauchs im Kondensationsteil am äußeren Rand nicht voran und der Tröpfchendurchmesser änderte sich nicht wesentlich. Somit blieben in dieser Region Tröpfchen mit einem Durchmesser von fast 20 \(\upmu \hbox {m}\) erhalten.

Diese Studie soll zum Verständnis der Aerosolbildung beitragen, indem sie zeigt, dass bei der Tröpfchenbildung durch Kondensation und Verdunstung eine bimodale Größenverteilung auftritt und dass sie durch räumliche Variation des kondensierten Sprays verursacht wird.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Institut für Fluidwissenschaft, Tohoku-Universität, Sendai, 980-8579, Japan

Junnosuke Okajima, Mitsuki Kato, Akihiro Hayakawa und Yuka Iga

Abteilung für Maschinenbau, Universität Tohoku, Sendai, 980-8579, Japan

Mitsuki Kato

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JO: Experiment, Datenanalyse, Manuskript schreiben; MK: Experiment, Datenanalyse; AH: Experiment, Überarbeitung des Manuskripts; YI: Konzeption, Interpretation, Überarbeitung des Manuskripts.

Korrespondenz mit Junnosuke Okajima.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Okajima, J., Kato, M., Hayakawa, A. et al. Untersuchung bimodaler Eigenschaften der Tropfengrößenverteilung in Kondensationsspray. Sci Rep 13, 12006 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39087-5

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Eingegangen: 07. Januar 2023

Angenommen: 20. Juli 2023

Veröffentlicht: 25. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39087-5

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