Modellbildung und Simulation des primären Strahlzerfalls für flugtriebwerksrelevante Bedingungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Globales Ziel dieses Vorhabens war die Berechnung des primären Strahlzerfalls realer Airblast-Injektoren, wie sie in modernen Flugtriebwerken zur Kraftstoffzerstäubung Anwendung finden. Die Methodik der eingebetteten DNS wurde erfolgreich eingesetzt, um eine industrielle Injektorgeometrie mit sämtlichen Geometriedetails zu berechnen. Der Primärzerfall wurde innerhalb eines 360°-Rings um den Düsenaustritt mit einer Gitterauflösung von 11,7 µm berechnet. Aus dem bearbeiteten Vorhaben gehen erstmals Einblicke in die Zerstäubung unter realen Bedingungen, wie sie in Triebwerken herrschen, hervor. Außerdem wurden die Effekte turbulenter Skalen und die Relevanz ihrer Berücksichtigung zur Berechnung des Primärzerfalls eingehend untersucht. Die wesentlichen Erkenntnisse können wie folgt zusammengefasst werden: Die turbulenten Skalen der Gasströmung haben maßgeblichen Einfluss auf die Entwicklung des Flüssigkeitsfilms, die Zerfallsdynamik sowie die erzeugte Sprayqualität und sind in der Berechnung der primären Zerstäubung zu berücksichtigen. - Die in einer LES aufgelösten turbulenten Skalen begünstigen den Flüssigkeitszerfall und bedingen ein feineres Primärspray. Im untersuchten Fall war die Gesamtmasse kleiner Tropfen um 10 % erhöht, sofern LES- anstelle zeitlich gemittelter Einlassdaten für die DNS verwendet wurden. - Feinstruktur-Fluktuationen haben keinen signifikanten Effekt auf den Primärzerfall, sondern induzieren einen vorzeitigen Sekundärzerfall. Eine Rekonstruktion der Skalen am LES-DNS- Übergang kann zur vollständigen Beschreibung der Turbulenz erfolgen, hierdurch ergibt sich aber kein Vorteil in der Primärzerfallsberechnung. - Das Zerfallsverhalten der realen Geometrie unterscheidet sich grundsätzlich von demjenigen bei ebenen Zerstäubergeometrien. Es zeigten sich ein vom Drall der Luftströmung geprägter Zerfall und keine Ansammlung von Flüssigkeit an der Filmlegerhinterkante. - Es wurden Tropfendaten der realen Geometrie für die Durchführung von Euler-Lagrange-Simulationen der Verbrennung extrahiert. Zusätzlich ergibt sich das Potenzial, die zeit- und ortsabhängige Variation der Spray-Konzentration entlang der Rotationsachse an Euler-Lagrange-Simulationen zu übergeben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “New insights in the role of turbulence for simulating primary breakup of prefilming airblast atomization”. In: ILASS Europe 2019, 29th Conference on Liquid Atomization and Spray Systems. 2019
K. Warncke, A. Sadiki und J. Janicka
- “Towards Primary Breakup Simulation of a Complete Aircraft Nozzle at Realistic Aircraft Conditions”. In: ASME Turbo Expo 2020: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Bd. Volume 1: Aircraft Engine; Fans and Blowers. 2020
K. Warncke, A. Sadiki, M. Staufer, C. Hasse und J. Janicka
(Siehe online unter https://doi.org/10.1115/GT2020-14597) - Vorhersage des Primärzerfalls von Airblastzerstäuberdüsen unter Anwendung der eingebetteten Direkten Numerischen Simulation, 2021
Katharina Warncke
