Large Eddy Simulation of Primary and Secondary Breakup Using a Multiscale Euler-Lagrange Method

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Markus Klein
• Subject Area: Fluid Mechanics
• Term: from 2014 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 252571588

• Final Report Year: 2024

Final Report Abstract

Die im Rahmen des Projekts durchgeführten Arbeiten gliedern sich in einen DNS- und einen LES-Teil. In ersterem wurden verschiedene für die spätere LES-Modellierung wichtige Fragestellungen anhand eines runden Freistrahls bei einer moderaten Reynolds- und Weber-Zahl untersucht. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass im Zuge des Primärzerfalls eine große Anzahl kleinster Tropfen direkt durch den Kernstrahl gebildet werden, während der Sekundärzerfall bereits gebildeter Tropfen für die untersuchte Konfiguration eine vernachlässigbare Rolle spielt. Dies steht im Widerspruch zum klassischen Bild des Strahlzerfalls als Kaskadenprozess, bei dem zuerst große Tropfen gebildet werden, die nach und nach in kleinere zerfallen. Die Bildung kleinster Primärtropfen durch den Kernstrahl stellt eine große Herausforderung hinsichtlich einer effizienten LES des Strahlzerfalls dar, da bislang kaum Modellierungsansätze für dieses Phänomen existieren. Im ersten Abschnitt des LES-Teils wurde der verwendete Strömungslöser bedeutend erweitert. Insbesondere wurden ein Primärzerfallsmodell sowie verschiedene Sekundärzerfallsmodelle implementiert. Anschließend wurde der entwickelte Mehrskalenansatz für die LES zweier sehr unterschiedlicher technischer Zerstäubungsvorgänge verwendet. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Messdaten. Die geeignete Schließung des konvektiven Feinstrukturterms sowie des Oberflächenspannungs-Feinstrukturterms, die im Laufe der ersten Antragsperiode als die wichtigsten Beiträge auf der Feinstrukturskala identifiziert wurden, führt für beide untersuchten Konfigurationen zu eindeutigen Vorteilen. Die Modellierung der Feinstruktur-Oberflächenspannungskräfte erfolgte dabei auf Basis zweier eigens entwickelter Modellierungsansätze. Ein besonders ausführlicher Vergleich zwischen LES und Experiment ist für den ECN Spray A möglich, da für diesen umfangreiche Messdaten vorliegen. Während eine LES ohne Modelle zu starken Abweichungen von den experimentellen Messdaten zur räumlichen Verteilung der Flüssigphase führt, lässt sich letztere durch geeignete LES-Modelle mit guter Genauigkeit abbilden. Auch für die Größenordnung sowie das axiale Verhalten des Sauterdurchmessers der Lagrange-Partikel werden eindeutige Vorteile durch die Modellierung beobachtet. Eine weitere Verbesserung ließe sich vermutlich durch eine geringfügige Anpassung der Modellkonstanten des Sekundärzerfallsmodells erzielen, eine entsprechende Untersuchung steht jedoch noch aus. Im letzten Schritt wurde das einzige bislang im LES-Kontext publizierte Primärzerfallsmodell untersucht, das auf die direkte Erzeugung kleiner Lagrange-Partikel durch den Kernstrahl abzielt. Dessen Nutzung führt zu einer großen Anzahl kleiner Lagrange-Partikel im düsennahen Bereich, was hinsichtlich der DNS-Ergebnisse positiv zu bewerten ist. Bezüglich der Primärzerfallsmodellierung besteht jedoch weiterer Forschungsbedarf, da das verwendete Modell sehr komplex ist und noch nicht außerhalb des Anwendungsfalls von Hochdruck-Kraftstoffsprays verwendet wurde. Die erzeugten DNS-Daten zur Entstehung von Primärtropfen werden für die Bearbeitung eines anderen DFG-Projekts zur Verfügung gestellt, das die Entwicklung eines entsprechenden Modellierungsansatzes zum Ziel hat.

Publications

• A Direct Numerical Simulation study of droplet sizes and Weber numbers in primary atomization of liquid jets. 18 th Multiphase Flow Conference & Short Course, Dresden, Deutschland (Online), 2021
  E. Trautner; S. Ketterl; J. Hasslberger & M. Klein
  
• Fractal properties of atomizing turbulent two-phase jets. 12th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena, Osaka, Japan (Online), 2022
  J. Hasslberger; E. Trautner & M. Klein
  
• Volume Conservation Methods for VOF- Based Long-Term Simulations of Turbulent Bubble-Laden Flows on Coarse Grids. DLES13 – Direct and Large Eddy Simulation, Udine, Italien, 2022
  E. Trautner; J. Hasslberger; P. Cifani & M. Klein
  
• Enforcing accurate volume conservation in VOF-based coarse grid simulations of turbulent bubble-laden flows. 14th International ERCOFTAC Symposium on Engineering, Turbulence, Modelling and Measurements, Barcelona, Spanien, 2023
  E. Trautner; J. Hasslberger; P. Cifani & M. Klein
  
• Primary atomization of liquid jets: Identification and investigation of droplets at the instant of their formation using direct numerical simulation. International Journal of Multiphase Flow, 160, 104360.
  Trautner, Elias; Hasslberger, Josef; Ketterl, Sebastian & Klein, Markus
  
• Towards LES of liquid jet atomization using an Eulerian-Lagrangian multiscale approach. 14th International ERCOFTAC Symposium on Engineering, Turbulence, Modelling and Measurements, Barcelona, Spanien, 2023
  E. Trautner; J. Hasslberger & M. Klein
  
• Enforcing accurate volume conservation in VOF‐based long‐term simulations of turbulent bubble‐laden flows on coarse grids. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 96(6), 1057-1077.
  Trautner, Elias; Hasslberger, Josef; Cifani, Paolo & Klein, Markus
  
• Primary atomization of shear-thinning liquid jets: a direct numerical simulation study. Scientific Reports, 14(1).
  Abdelsayed, Marianne; Trautner, Elias; Berchtenbreiter, Jakob & Klein, Markus
  
• Towards LES of Liquid Jet Atomization Using an Eulerian-Lagrangian Multiscale Approach. Flow, Turbulence and Combustion, 115(1), 243-273.
  Trautner, Elias; Hasslberger, Josef & Klein, Markus