Direct numerical simulation of aerodynamic fragmentation of liquid drops
Final Report Abstract
In dem Projekt „Direct numerical simulation of aerodynamic fragmentation of liquid drops“ haben wir den Stoß-induzierten Zerfall von Flüssigkeitstropfen untersucht. Diese Grundlagenuntersuchungen wurden mit einem modernen Mehrskalen-Algorihmus zur direkten numerischen Simulation für kompressible Strömungen mit Grenzflächen durchgeführt. Insbesondere wurde in dem Projekt der Zerfall von Wassetropfen in Luftströmungen in Bezug auf die genaue Darstellung von Parameter-Gebieten und auf experimentelle und numerische Referenzen aus der Literatur betrachtet. Das numerische Verfahren verwendet hochauflösende Diskretisierungschemata und the Level-Set Methode zur Darstellung von Grenzflächen, die eine scharfe Grenzflächendarstellung ohne unphysikalisches Verschmieren garantiert. Durch extensive Validierung haben wir bestätigt, dass diese Methode gut geeignet ist, die Dynamik von Grenzflächen auch unter starken impulsgetriebenen Grenzflächenwechselwirkungen darzustellen. Die gewählte kompressible Problemformulierung ermöglicht die vollständige Darstellung von Wellendynamik in Flüssig- und Gasphase. The modellierten physikalischen Effekte umfassen Oberflächenspannung und Reibung. Das vollständige numerische Modell wurde anhand experimenteller Daten aus der Literatur verifiziert und validiert. Diese sorgfältigen Untersuchungen zeigen, dass das Simulationswerkzeug eine quantitative Vorhersage der untersuchten Strömungen ermöglicht. Mit diesem Werkzeug wurden insbesondere die Shear-Induced-Entraiment (SIE) und Rayleigh-Taylor-Piercing (RTP) Regime des aerodynamischen Zerfalls im Detail untersucht. Nach unserem besten Wissen konnten so erstmals anhand von numerischer Simulation die richtigen Zerfallsmechanismen über den gesamten Weberzahl-Bereich, der die verschiedenen Szenarien umfasst, den jeweiligen Regimen zugeordnet werden. Anhand hoher räumlicher Auflösung zur Darstellung feinster Strukturen konnten wir die Entstehung von Druckwellen stromauf der Tropfen als Ursache für Grenzflächeninstabilitäten an der windwärtigen Seite des Tropfens nachweisen. Später verursacht dieser Mechanismus die soganannte Hut-Formation mit der Ausbildung von Kuspen, die später unter Scherung zerissen werden. Wir haben eine quantitative Analyse unter der Verwendung höherer Momente der Massenverteilung vorgeschlagen, die sich als eine neue Methode auch zur Analyse experimenteller Daten anbietet. Das Gesamtziel des Projekts, ein geeignetes Simulationswerkzeug für den aerodynamischen Entfall bereit zu stellen und damit den Stoß-getriebenen Zerfall von Tropfen zu untersuchen wurde vollumfänglich erreicht.
Publications
- Direct Numerical Simulation of Shock-Induced Drop Breakup with a Sharp-Interface Method, Proceedings of the 10th Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena, Chicago, USA, July 6-9, 2017
J.W.J. Kaiser, S. Adami, N.A. Adams
- An adaptive local time-stepping scheme for multiresolution simulations of hyperbolic conservation laws, Journal of Computational Physics: X 4 (2019), 100038
J.W.J. Kaiser, N. Hoppe, S. Adami, N.A. Adams
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jcpx.2019.100038) - Numerical investigation of 3D drop-breakup mechanism using a sharp-interface level-set method, Proceedings of the 11th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena, Southampton, UK, July 30 - August 2nd, 2019
J. Winter, J. Kaiser, S. Adami, N.A. Adams
- Investigation of interface deformation dynamics during high-Weber number cylindrical droplet breakup, International Journal of Multiphase Flow 132 (2020) 103409
J.W.J. Kaiser, J.M. Winter, S. Adami, N.A. Adams
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2020.103409)
