Simulation der Flüssigkeitszerstäubung und Sprayerzeugung

Viele Prozesse in der Energieumwandlung und Produktionstechnik arbeiten mit der Zerstäubung von Flüssigkeiten in einer gasförmigen Umgebung. Die so erzeugten Sprays sind seit langer Zeit Gegenstand von Forschung sowohl für technische Anwendungen, als auch aus wissenschaftlichem Grundlageninteresse. Das wichtigste Ziel aller Forschungs- und Entwicklungsarbeiten war dabei die genaue Vorhersage des Durchmessers der Tropfen in dem Spray. Hierdurch sollte eine geeignete Auslegung der Zerstäuber und der Prozesseinrichtungen sowie höchste Effizienz und Produktqualität ermöglicht werden. Dieses Ziel ist nach Stand der Forschung noch immer nicht erreicht. In dem vorliegend vorgeschlagenen Projekt soll eine neuartige Berechnungsmethode zur Vorhersage der Tropfendurchmesserverteilung im Spray entwickelt werden. Hierzu werden Ansätze der Turbulenzmodellierung eingesetzt. Sprays können durch Zerfall von flüssigen Strahlen oder Filmen erzeugt werden. Orientiert an der technischen Anwendung wird entschieden, ob strahl- oder filmbildende Zerstäuber eingesetzt werden. In unserem Projekt konzentrieren wir uns auf Sprays aus Strahlen. Strahlen können durch drei Mechanismen in Tropfen zerfallen: durch eine kapillare (Rayleigh-) Instabilität, durch dynamische Wechselwirkung mit der gasförmigen Umgebung (Kelvin-Helmholtz-Instabilität), oder durch turbulente Geschwindigkeitsschwankungen in der Flüssigkeit bei hohen Reynolds- und Weberzahlen. Im Jahr 1936 fand v. Ohnesorge, dass die drei Mechanismen mit Bereichen eines Reynolds- und Ohnesorgezahl-Nomogramms des Strahles identifiziert werden können. In dem vorliegenden Projekt wird eine Methode zur Berechnung der turbulenten Strahlzerstäubung entwickelt, die auf der Beschreibung der turbulenten Flüssigkeitsbewegung im Strahl und der Simulation der resultierenden Zweiphasenströmung mittels Large-Eddy-Simulation (LES) basiert. Die Verteilung des Tropfendurchmessers wird in Abhängigkeit der lokalen Phasenfunktion sowie der lokalen Oberflächendichte der Flüssigphase erfasst. Die zeitliche und räumliche Entwicklung der numerisch aufgelösten Verteilung in beiden Größen soll von der LES geliefert werden, welche die entsprechenden gefilterten Transportgleichungen löst. Die hierbei erzielten numerischen Ergebnisse sollen durch den Vergleich mit experimentellen Daten aus der Literatur validiert werden.

Viele Prozesse in der Energieumwandlung und Produktionstechnik arbeiten mit der Zerstäubung von Flüssigkeiten in einer gasförmigen Umgebung. Die so erzeugten Sprays sind seit langer Zeit Gegenstand von Forschung sowohl für technische Anwendungen, als auch aus wissenschaftlichem Grundlageninteresse. Das wichtigste Ziel aller Forschungs- und Entwicklungsarbeiten war dabei die genaue Vorhersage des Durchmessers der Tropfen in dem Spray. Hierdurch sollte eine geeignete Auslegung der Zerstäuber und der Prozesseinrichtungen sowie höchste Effizienz und Produktqualität ermöglicht werden. Dieses Ziel ist nach Stand der Forschung noch immer nicht erreicht. In dem vorliegend vorgeschlagenen Projekt soll eine neuartige Berechnungsmethode zur Vorhersage der Tropfendurchmesserverteilung im Spray entwickelt werden. Hierzu werden Ansätze der Turbulenzmodellierung eingesetzt. Sprays können durch Zerfall von flüssigen Strahlen oder Filmen erzeugt werden. Orientiert an der technischen Anwendung wird entschieden, ob strahl- oder filmbildende Zerstäuber eingesetzt werden. In unserem Projekt konzentrieren wir uns auf Sprays aus Strahlen. Strahlen können durch drei Mechanismen in Tropfen zerfallen: durch eine kapillare (Rayleigh-) Instabilität, durch dynamische Wechselwirkung mit der gasförmigen Umgebung (Kelvin-Helmholtz-Instabilität), oder durch turbulente Geschwindigkeitsschwankungen in der Flüssigkeit bei hohen Reynolds- und Weberzahlen. Im Jahr 1936 fand v. Ohnesorge, dass die drei Mechanismen mit Bereichen eines Reynolds- und Ohnesorgezahl-Nomogramms des Strahles identifiziert werden können. In dem vorliegenden Projekt wird eine Methode zur Berechnung der turbulenten Strahlzerstäubung entwickelt, die auf der Beschreibung der turbulenten Flüssigkeitsbewegung im Strahl und der Simulation der resultierenden Zweiphasenströmung mittels Large-Eddy-Simulation (LES) basiert. Die Verteilung des Tropfendurchmessers wird in Abhängigkeit der lokalen Phasenfunktion sowie der lokalen Oberflächendichte der Flüssigphase erfasst. Die zeitliche und räumliche Entwicklung der numerisch aufgelösten Verteilung in beiden Größen soll von der LES geliefert werden, welche die entsprechenden gefilterten Transportgleichungen löst. Die hierbei erzielten numerischen Ergebnisse sollen durch den Vergleich mit experimentellen Daten aus der Literatur validiert werden.