Feinstrukturmodellierung des Primärstrahlzerfalls im Zerstäubungsregime für die Large Eddy Simulation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Oevermann
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 535882288

Das Zerstäuben von Flüssigkeitsstrahlen bei hohen Reynolds und Weber Zahlen ist von hoher technischer Relevanz. Wichtige Anwendungen umfassen Einspritzvorgänge in Motoren, das Lackieren, die Herstellung von pulvermetallurgischen Stählen und die Sprühtrocknung. Der Strahlzerfall beim Zerstäuben wird typischerweise in zwei Phasen eingeteilt: i) Primärzerfall, der das initiale Abtrennen von Flüssigkeitselementen (Tropfen, Ligamente) vom Strahl beschreibt und ii) Sekundärzerfall, der den weiteren Zerfall der bereits vom Strahl abgetrennten Elemente in kleinere Elemente bis zum Erreichen einer durch Oberflächenspannung stabilen Größe umfasst. Insbesondere die Modellierung des Primärzerfalls gilt für die numerische Strömungsmechanik als besonders herausfordernd. Die Large Eddy Simulation (LES) turbulenter Strömungen hat sich als effektive und genaue Methode für die Simulation von Einphasenströmungen etabliert und wird zunehmend auch für die Simulation von Mehrphasenströmungen eingesetzt. Bei der LES wird die großskalige, energiereiche Strömung direkt simuliert während der Einfluss der kleinskaligen turbulenten Strömung auf die großskalige Strömung mit sogenannten Feinstrukturmodellen modelliert wird. Bei vielen technischen Zerstäubungsprozessen sind die entstehende Tropfen des Primärzerfalls bereits so klein, dass diese von den Gittern einer LES nicht mehr effizient dargestellt werden können. Ein aussichtsreicher und effizienter Ansatz für LES von Zerstäubungsprozessen besteht darin, Tropfen kleiner als die LES Gitterweite als Lagrangesche Punktpartikel zu betrachten. Der Ansatz impliziert, dass der komplette Primärzerfall als Feinstrukturmodell dargestellt werden muss. In der Literatur findet man hierzu bislang nur sehr wenige Ansätze. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines neuartigen LES Feinstrukturmodells für die Simulation von Zerstäubungsprozessen, das die komplexe Physik des Primärzerfalls auf den nicht-aufgelösten Skalen der LES mit hoher Vorhersagequalität statistisch darstellen kann und dadurch effiziente und genaue Large Eddy Simulationen von Zerstäubungprozessen mit praxisrelevanten Gitterweiten ermöglicht . Das Modell basiert auf einer vereinfachten Version des stochastischen "One-Dimensional Turbulence" Modells, bei dem der Primärzerfall eindimensional unter Auflösung aller Skalen simuliert wird. Im Rahmen des Projekts soll das Feinstrukturmodell entwickelt, in einen LES Code implementiert und getestet werden. Zum Vergleich werden Simulationsergebnisse aus der Direkten Numerischen Simulation (DNS) und anderen LES Simulationen aus der Literatur herangezogen, wobei die zu untersuchenden Konfigurationen den klassischen Strahlzerfall und den Fall einer initial flachen Grenzfläche in homogener isotroper Turbulenz umfassen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Markus Klein
• Kooperationspartner: Dr. Mahdi Saeedipour