Mehrkomponenten-Kavitationsmodellierung zur numerischen 3D-Strömungssimulation von Fluidgemischen in hydraulischen Systemen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Romuald Skoda
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 355240670

In hydraulischen Systemen werden Fluidgemische wie z.B. Hydrauliköle oder Kraftstoffe verwendet, die aus zahlreichen Einzelkomponenten bestehen können und deren Stoffeigenschaften und Transportgrößen von der lokalen Gemischzusammensetzung abhängen. In den Vorarbeiten wurde mit einem 1D-CFD-Verfahren an sphärischen Einzelblasen gezeigt, dass es bei der Blasendynamik zusätzlich zur Luftausgasung zu einer lokalen Fluidsegregation (Entmischung) der leicht- und schwersiedenden Einzelkomponenten (Spezies) innerhalb und in der Umgebung der Blase kommt, ähnlich wie es bei der Tropfenverdunstung bekannt ist. Dadurch wird das Blasenwachstum vor allem bei dem Vorhandensein großer Anteile von Schwersiedern entscheidend beeinflusst, was auf die Spezies-Interdiffusion und deren Rückwirkung auf den Verdampfungsmassen- und latenten Wärmestrom zurückgeführt werden konnte. In einer ersten Version eines auf der homogenen Mischungsannahme basierenden 3D-Verfahrens wurde an einem Hochdruck-Kraftstoffinjektor ebenfalls lokale Segregation beobachtet. Für dieses 3D-Verfahren sollen in dem beantragten Folgevorhaben Substrukturmodelle für die lokale Spezies-Interdiffusion und kavitationsinduzierte Luftausgasung entwickelt werden. Dazu wird das mathematische Modell aus dem 1D-Einzelblasenverfahren unter Berücksichtigung aller Transportprozesse in ein phasengrenzen-auflösendes 3D-Volume-of-Fluid-Verfahren übertragen und auf Blasencluster angewendet. Aus den Blasencluster-Referenzergebnissen werden Substrukturmodelle entwickelt, in das homogene Mischungsmodell integriert und exemplarisch an einem Planardiffusor und einem Hochdruckinjektor inkl. Primärstrahlaufbruch validiert. Das resultierende 3D-Mehrkomponenten-Kavitationsmodell erlaubt zukünftig die deutlich realitätsnähere Simulation kavitierender Strömungen in Fluidgemischen, als es mit den bisher verwendeten Einkomponenten-Ersatzfluiden möglich ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen