Entwicklung einer Immersed-Boundary-Methode für Mehrphasenströmungen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Daniel Hartmann
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 187434388

Der Aufprall flüssiger Tropfen auf benetzte oder unbenetzte Oberflächen ist für viele technische Anwendungen relevant, wie zum Beispiel für die Erosion von Dampfturbinenschaufeln durch den Tropfenaufprall. Für den physikalischen Vorgang des Tropfenaufpralls wurden unterschiedliche Strömungsregime identifiziert, wie zum Beispiel die koronaförmige Ausbildung einer dünnen Schicht flüssigen Fluids nach dem Auftreffen des Tropfens, die aufgrund einer Instabilität über die Ausbildung von Ligamenten in kleine Tröpfchen zerfällt. Im Allgemeinen ist die numerische Simulation solcher Mehrphasenströmungen eine große Herausforderung, da sie eine genaue Beschreibung der Entwicklung der Phasengrenzfläche, eine genaue Berechnung der Oberflächenspannung an der Phasengrenzfläche sowie eine robuste Behandlung der typischerweise großen Dichte- und Viskositätsunterschiede an der Grenzfläche erfordern.Die vorgeschlagene Forschungsarbeit ist motiviert von dem Ziel, den Zusammenhang zwischen dem Impulsübertrag von den Tropfen auf die Oberfläche und dem Aufprallwinkel physikalisch zu verstehen. Dazu soll in der vorgeschlagenen Forschungsarbeit eine genaue und effiziente numerische Methode zur Simulation von Strömungen mit bewegten Rändern und Mehrphasenströmungen auf Basis der Immersed-Boundary-Methode entwickelt werden. In der Immersed-Boundary-Methode wird der Effekt eines Körpers auf die Strömung durch Kraftterme berücksichtigt. In einer ähnlichen Weise soll die zu entwickelnde Methode die Phasengrenze in Mehrphasenströmungen einbeziehen. Somit können nicht-randangepasste Gitter verwendet werden, wodurch die Berechnung von Strömungen mit komplizierten Geometrien wie der Phasengrenze erheblich vereinfacht wird. Die zu entwickelnde numerische Methode soll zur detaillierten Simulation des Tropfenaufpralls auf benetzte und unbenetzte Oberflächen bei veränderlichem Aufprallwinkel und verschiedenen Tropfeneigenschaften wie Aufprallgeschwindigkeit und Tropfengröße verwendet werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Tim Colonius, Ph.D.