Direkte Numerische Simulation der Tropfenverdampfung und -verbrennung mit Hilfe der diskontinuierlichen Galerkin Methode

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Oberlack
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 352548003

Die Untersuchung der Verbrennung von Einzeltropfen ist von entscheidender Bedeutung für Verständnis, Konstruktion und Optimierung der Effizienz von Verbrennungssystemen sowie für Verständnis und Modellierung der häufig in technischen Anwendungen vorliegenden Sprayverbrennung. Allgemeines Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Implementierung eines hochgenauen numerischen Lösers zur Simulation der Verdampfung und Verbrennung eines einzelnen Kraftstofftropfens innerhalb eines Strömungsfeldes. Außerdem sollen der Tropfenaufprall des brennenden Kraftstofftropfens auf eine feste Wand und der Zusammenstoß von brennenden Tropfen als langfristiges Ziel untersucht werden.Zur möglichst genauen Berechnung der nicht mischbaren Gas/Flüssig-Zweiphasenströmung mit einer nicht-materiellen, zeitlich deformierbaren Phasengrenzfläche und der Transportprozesse der chemischen Spezies soll die diskontinuierliche Galerkin Methode (DGM) verwendet werden. Hierzu soll die am Fachgebiet Antragstellers entwickelte DGM Bibliothek BoSSS (Bounded Support Spectral Solver) um Methoden zur Simulation der Tropfenverbennung erweitert werden.In der kürzlich beendeten ersten Förderperiode wurden der einphasige Löser für kompressible Strömungen mit low-Mach-Approximation, der Löser für Spezies-Transport und Verbrennung sowie der Löser für inkompressible Mehrphasenströmungen entwickelt. Diese Algorithmen repräsentieren nicht-triviale, essentielle Bausteine auf dem Weg zum unseren finalen Ziel: Der Verbrennungssimulation eines einzelnen Tropfens unter Ausnutzung der Approximation für kleine Mach-Zahlen. Die Grenzfläche zwischen den Fluiden wird dabei mit einer Level Set Methode abgebildet, unter weiterer Zuhilfenahme der Cut-Cell-Methode sowie nicht-glatter Basisfunktionen zur Darstellung von Sprüngen in den Strömungsgrößen. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Ertüchtigung des Lösers hinsichtlich numerischer Effizienz sowie Gitteradaptivität.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Herbert Egger; Professor Dr. Tim Warburton