Grobstruktursimulation des Primär- und Sekundärzerfalls

30 Oktober 2020

Prof. Dr.-Ing.habil. Markus Klein, Professur für Numerische Methoden in der Luft und Raumfahrttechnik hat bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft das Projekt "Grobstruktursimulation des Primär- und Sekundärzerfalls mittels eines Mehrskalen Euler-Lagrange Verfahrens" erfolgreich eingeworben.

Laufzeit: 01.11.2020 bis 31.10.2023
Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft - DFG-Sachbeihilfe

Fluidzerstäubung, bei der ein kompaktes Flüssigkeitsvolumen in viele kleine Tropfen zerteilt wird, ist der Ausgangspunkt vieler technischer Prozesse mit unterschiedlichsten Anwendungen in Technik, Medizin und Landwirtschaft. Die Auslegung und Skalierung von Zerstäubern auf empirischer Basis ist dabei immer noch gängige Praxis.  Während prädiktive Berechnungsverfahren in anderen Bereichen der Strömungssimulation etabliert sind, müssen vorhandene Zerstäubungsmodelle in der Regel für jeden Betriebszustand an detaillierten Messungen kalibriert werden. Die Charakteristik des Sprays wird somit vorgegeben, nicht vorhergesagt und die Möglichkeiten numerischer Verfahren können nicht ausgeschöpft werden. Die Large-Eddy Simulation (LES) ist ein Modell zur Berechnung turbulenter Strömungen, welches das Potenzial, besitzt den Strahlzerfall mit guter Genauigkeit zu beschreiben. Bei der Herleitung der LES gefilterten zweiphasigen (flüssig-/gasförmig) Navier-Stokes Gleichungen treten allerdings Terme auf, deren Modellierung nach wie vor nicht etabliert ist und Gegenstand der ersten Antragsphase war. Tropfen in der Größenordnung der LES-Filterweite können allerdings im Rahmen der verwendeten Volume-of-Fluid Methode nicht mehr erfasst werden und sollen nun in einer Lagrangeschen Betrachtung berücksichtigt werden. Das Ziel für die zweite Antragsphase ist daher die Entwicklung einer geschlossenen Modellierungskette des kompletten Zerstäubungsvorganges bestehend aus Primär- und Sekundärzerfall im Kontext eines Mehrskalen Euler-Lagrange Ansatzes.
Das Vorhaben kann in drei Hauptphasen gegliedert werden. Die erste Phase soll sich mit der Modellierung der Entstehung von Primärtropfen befassen die, ohne einen Sekundärzerfallsprozess zu durchlaufen, kleiner als die LES Filterweite sind. In der zweiten Phase soll ein etabliertes Sekundärzerfallsmodell aus der Literatur im Rahmen des Vorhabens verwendet und validiert werden, so dass Tropfenkollision, Zerfall und Koaleszenz berücksichtigt werden können. Man spricht von einer Vierwegekopplung, während die Zweiwegekopplung die Rückwirkung der Tropfen auf die kontinuierliche Phase beschreibt. Hier besteht noch sehr großer Forschungsbedarf im Allgemeinen und im Besonderen auf Grund der Tatsache dass die Tropfendurchmesser im vorliegenden Ansatz in der Größenordnung der Filterweite liegen können, so dass die Interaktion beider Phasen nicht ohne weiteres vernachlässigt werden kann. In der dritten Phase erfolgt dann die Abstimmung und Bewertung des Gesamtmodells und zwar sowohl an Hand der DNS Datenbasis aus der ersten Antragsphase als auch experimentellen Daten aus der Literatur. Mit erfolgreicher Validierung soll als Ergebnis des Vorhabens ein praxistaugliches Simulationswerkzeug für die LES von Zerstäubungsvorgängen zur Verfügung stehen. Dies soll in einem letzten Arbeitsschritt validiert werden in dem ein, in der Literatur experimentell charakterisierter Druckzerstäuber mit komplexer Düsengeometrie, mittels OpenFOAM und unter Verwendung der entwickelten Modelle, berechnet wird.

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