Direkte numerische Simulation des aerodynamischen Zerfalls flüssiger Tropfen.

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Nikolaus Andreas Adams
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277161739

Der Zerfall der Grenzflächen einer dispers in einem Gas verteilten flüssigen Phase durch schnelle, trägheits-getriebene Effekte nennt man Aerodynamischen Zerfall. Technische Anwendungen solcher Vorgänge sind vielfältig und reichen von Sprayerzeugung, Treibstoffinjektion, Beschichtungen bis hin zu biomedizinischen Anwendungen. Prozessoptimierung erfordert das Verständnis zugrundeliegender physikalischer Mechanismen und eine Vorhersagefähigkeit durch numerische Simulation. Experimentelle Forschung hat wesentliche Beiträge geliefert, aber quantitative experimentelle Daten sind nur mit sehr großem Aufwand zu gewinnen und nicht in dem Detailgrad, der anhand numerischer Simulationen möglich ist. Einzeltropfen können durch direkte numerische Simulation untersucht werden, die anhand von konservativen, hochauflösenden numerischen Verfahren alle relevanten zeitlichen und räumlichen Skalen darstellt. Wenn ein flüssiger Tropfen von einem Verdichtungsstoß getroffen wird, wird der Stoß gebrochen und reflektiert und erzeugt komplexe Wellendynamik in der flüssigen und in der Gasphase. Druckgradient, barokline und Oberflächenspannungs-Effekte deformieren die Grenzfläche. Basierend auf experimentellen Beobachtungen kann man drei typische Zerfallsszenarien unterscheiden: (i) bag breakup, (ii) sheet stripping, (iii) catastrophic breakup. Eine Klassifizierung der für eine Konfiguration zu erwartenden Zerfallsszenarien ist für Anwendungen sehr wichtig. Jedes Zerfallsszenario wird durch die Wechselwirkung verschiedener Mechanismen bestimmt. Die wichtigsten dieser Mechanismen sind: (i) Rayleigh-Taylor piercing, (ii) Entrainment, und (iii) Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten. Das Projekt verfolgt drei Ziele. Zunächst muss eine Methode zur direkten numerischen Simulation etabliert werden, wofür auf ein vorliegendes hochauflösendes Verfahren zur Simulation scharfer Grenzflächen in kompressiblen Strömungen zurückgegriffen wird. Erforderliche Erweiterungen und methodische Anpassungen für das vorliegende Problem werden eingearbeitet. Mit dieser Methode soll dann eine phänomenologische Untersuchung verschiedener Zerfallsszenarien durchgeführt werden. Numerische Simulationen werden so geplant, dass Parameterbereiche und Zerfallsszenarien zugeordnet werden können, um experimentelle Ergebnisse zu bestätigen oder zu erweitern. In einer zweiten Förderperiode solle die Untersuchungen auf höhere Machzahlbereiche und die Untersuchung neuer, dann auftretende Mechanismen erweitert werden. Desweiteren soll in einer zweiten Förderperiode die Simulationsfähigkeit auf die Berücksichtigung von Daten- und Parameterunsicherheiten im Ergebnis erweitert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Privatdozent Dr.-Ing. Xiangyu Hu