Skalare Mischung am Außenrand turbulenter Freistrahlen hoher Dichte

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Heinz Pitsch, seit 7/2015
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 266647758

Freistrahlen variabler Dichte sind mit die wichtigsten Mischungsanordnungen in Ingenieursanwendungen. Ihre am meisten hervortretende Eigenschaft ist die Tatsache, dass das Dichteverhältnis zwischen der Dichte des Freistrahlfluids und der des umgebenden Fluids die Eindringtiefe des Frestrahls und damit die Mischung der beiden Fluide bestimmt. Die traditionell akzeptierten Skalierungen des Abfalls entlang der Mittellinie für die Geschwindigkeit und für Skalare mit der Quadratwurzel des Dichteverhältnisses wurden für kleine Dichteunterschiede hergeleitet. Für große Dichteunterschiede ist die Skalierung mit dem Dichteverhältnis im wesentlichen empirisch und hängt von des Skalierung des Entrainments am Außenrand des Freistrahls ab. Der strömungsmechanische Prozess, durch den das umgebende wirbelfreie Fluid in den wirbelbehafteten Teil des Freistrahls eingesogen wird, ist nicht gut verstanden. Er kann deshalb nicht gut genug mit existierenden Simulationsmethoden wie Large Eddy Simulations (LES) beschrieben werden. Selbst für Freistrahlen konstanter Dichte zeigen sich Unterschiede zwischen Experimenten und LES Simulationen bei konditionierten Profilen des mittleren passiven Skalars, sowie bei der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion des Skalars. Für Freistrahlen hohe Dichte fehlen gut aufgelöste experimentelle Daten vollständig. Der vorliegende Forschungsantrag will deshalb durch Rayleigh-Streuungsexperimente, durch Direkte Numerische Simulation (DNS) und durch LES Simulationen den kombinierten Einfluß eines grossen Dichteverhältnisses und einer grossen Änderung der Wirbelstärke am Außenrand turbulenter runder Freistrahlen auf die skalare Mischung und das resultierende Entrainment untersuchen. Die Experimente werden bei zwei Reynolszahlen von Schwefel-Hexafluorid (SF6) Freistrahlen in drei verschiedene umgebende Fluide, nämlich in reines N2, in ein N2-He Gemisch und in reines Helium, durchgeführt und erreichen dadurch Dichteverhältnisse bis zu 34.5. Die Experimente benutzen planare Rayleigh-Streuung hoher Repetionsrate um, basierend auf der Taylor-Hypothese, das drei-dimensionale Dichtefeld aufzulösen. Die DNS und LES Simulationen werden für die sechs experimentellen Fälle durchgeführt mit dem Ziel die Experimente zu reproduzieren. Verschiedene LES-Formulierungen für die nicht-aufgelösten Größen werden getestet durch Vergleich der berechneten konditierten Profile und der skalare Verteilungsfunktion mit den Experimenten und den DNS-Ergebnissen. Die Tests werden das Konzept der optimal estimator verwenden um ein optimales Wirbelzähigkeitsmodell für die nicht-aufgelösten Skalen mit Intermittenz-Korrektur zu erhalten. Für die skalare Verteilungsfunktion werden unterschiedfliche Formulierungen der Parameter in einem früher hergeleiteten composite PDF-Modell gewählt und Fehler der verschiedenen Auswahlen bestimmt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Norbert Peters, bis 7/2015 (†)