DNS Charakterisierung und LES Modellierung des Primär- und Sekundärzerfalls strukturviskoser Flüssigkeitsstrahlen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Klein; Professor Dr.-Ing. Bernhard Weigand
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503977784

Tritt ein Flüssigkeitsstrahl aus einer Düse aus, so kommt es zum Zerfall des Strahls. Zerstäubung beschreibt hierbei den Prozess der Desintegration eines Flüssigkeitsvolumens in ein komplexes System von Tropfen. Der im düsennahen Bereich auftretende primäre Strahlzerfall stellt dabei einen wichtigen und schwer zu modellierenden Teilprozess dar, dem der Sekundärzerfall folgt. Bei diesem spielt die Dynamik bereits gebildeter Tropfen eine wichtige Rolle. Fluidzerstäubung ist ein grundlegender technischer Prozess mit so unterschiedlichen Anwendungen wie der Kraftstoffeinspritzung in Verbrennungssystemen, dem Aufbringen von Insektiziden, medizinischen Sprays, Kühlung in Reaktoren, Lackierung von Bauteilen, Sprühtrocknung, Brandbekämpfung und vieles mehr. In vielen Anwendungen (z.B. bei der Lackierung oder in medizinischen Sprays) kommen dabei nicht-Newtonsche Flüssigkeiten zum Einsatz. Die Eigenschaften dieser Fluide sind in einfacheren Fällen, wie z.B. bei scherverdünnenden Fluiden, zeitunabhängig. In komplexeren Fällen, wie z.B. bei viskoelastischen Fluiden, ist zusätzlich eine Abhängigkeit von der Zeit gegeben. Im Rahmen dieses Antrags werden grundlegende, detaillierte numerische Untersuchungen zum Strahlzerfall von Flüssigkeitsstrahlen durchgeführt, die ein nicht-Newtonsches Verhalten aufweisen. Die hier durchgeführten Arbeiten widmen sich dabei sowohl scherverdünnenden als auch thixotropischen Flüssigkeiten. Die numerischen Untersuchungen gliedern sich in Direkte Numerische Simulationen (DNS) und Large Eddy Simulationen (LES). Für die Beschreibung der Mehrphasenströmung wird hierbei die Volume of Fluid (VOF) Methode benutzt. Mit Hilfe der DNS Rechnungen werden grundlegende Zerfallsmechanismen im Flüssigkeitsstrahl detailliert analysiert. Hierbei werden die relevanten Einflüsse z.B. der Viskosität auf die Strahlmorphologie und den Zerfallsprozess identifiziert, beschrieben und quantifiziert. Hieraus werden für die LES benötigte Modelle abgeleitet und in das LES-Programm integriert. In der LES werden hierbei einzelne Tropfen kleiner der Gitterweite als Lagrange Punkte behandelt. Damit kann mit Hilfe der LES der Primärzerfall, aber auch der Sekundärzerfall des Flüssigkeitsstrahls untersucht werden. Es wird also eine Methodik erarbeitet, mit der Strahlzerfallsvorgänge mit nicht-Newtonschen Eigenschaften und Verdunstung, wie sie z.B. bei der Sprühtrocknung auftritt, simuliert werden können. Hierbei wird auch detailliert untersucht für welche Bedingungen Verdunstungsvorgänge beim Strahlzerfall die Vorgänge nachhaltig ändern. Dieser Antrag wird durch zwei Antragsteller bearbeitet (München/Stuttgart), die sich hinsichtlich der eingesetzten numerischen Methoden (DNS/LES) sehr gut ergänzen. Dadurch ist es möglich den primären, als auch den sekundären Strahlzerfall von nicht-Newtonschen Flüssigkeitsstrahlen detailliert zu untersuchen, mittels eines mehrskalen Modells zu modellieren und weitergehendes Verständnis dieser komplexen Vorgänge zu erarbeiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen