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Simulation von Mehrphasenströmungen mit einer Multi-Fluid-Methode

Choi, Du-Fhan :
Simulation von Mehrphasenströmungen mit einer Multi-Fluid-Methode.
TU Darmstadt / Maschinenbau / Energie- und Kraftwerkstechnik
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Simulation von Mehrphasenströmungen mit einer Multi-Fluid-Methode
Language: German
Abstract:

Diese Arbeit behandelt die numerische Beschreibung von polydispersen Sprays, wie sie auch in Verbrennungssystemen vorzufinden sind. Dabei wird der flüssige Kraftstoff in kleine Tropfen unterschiedlicher Größen zerstäubt und verdampft, bevor er verbrannt wird. Das übergeordnete Ziel ist, die computergestützte Entwicklung von Verbrennungssystemen zu erweitern und die Kraftstoffaufbereitung zu berück-sichtigen. In einem ersten Schritt werden der Tropfentransport aufgrund von Widerstandskräften und die Verdampfung von Tropfen simuliert. Für die numerische Beschreibung von polydispersen und verdampfenden Sprays bietet die direkte numerische Simulation eine hohe Genauigkeit, im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit bei der Entwicklung sind diese Methoden jedoch nicht tragbar. Eine weitere, weniger rechenintensive Methode beschreibt die Tropfenphase im Lagrange-Kontext, bei der die Rechenzeit proportional zur Anzahl der Tropfen steigt. Im Euler-Kontext werden für die Tropfenphase vergleichbare Bilanzgleichungen wie für die Gasphase verwendet und der Rechenaufwand ist unabhängig von der Beladung. Allerdings ist die Beschreibung der Polydispersität nur durch Erhöhung der Rechenzeit zu erreichen. In dieser Arbeit wird für die Beschreibung von polydispersen und verdampfenden Sprays eine Momentenmethode (DQMOM) im Euler-Kontext verwendet, die im Ver-gleich zu den oben genannten Methoden einen geringeren Rechenaufwand gewähr-leistet. Im Hinblick auf eine spätere Anwendung in industrieller Umgebung wird diese Methode, bestehend aus der Multi-Fluid-Methode und DQMOM, in einen unstruktur-ierten Code (Precise-Unstructured) implementiert und auf die Darstellbarkeit von Polydispersität und Verdampfung untersucht. Über ausgewählte Testfälle wird zunächst die Implementierung der Methoden und Modelle und im Anschluss die DQMOM über eindimensionale Testfälle, bei denen ein polydisperses Spray Widerstandskraft erfährt und verdampft, verifiziert. Abschließend wird diese Methode auf eine Konfiguration angewendet, bei der die Verdampfung von Tetralintropfen experimentell untersucht wurde. Der Vergleich der Ergebnisse zeigt, dass mit der DQMOM der Einfluss von Widerstands-kraft und Verdampfung auf polydisperse Sprays und der Sättigungseffekt bei der Verdampfung abgebildet werden können.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This work deals with the numerical description of polydisperse sprays, as they can be found in combustion systems. Here, the liquid fuel is atomized in small droplets of different sizes and evaporated before it is combusted. The overall objective is to extend the computer aided development of combustion systems under consideration of the processes for fuel preparation. As a first step, the transport of droplets due to drag forces and the evaporation of droplets are simulated. For the numerical description of polydisperse and evaporating sprays the direct numerical simulation offers a high accuracy, but under consideration of cost effectiveness this method is not acceptable for the development of combustion processes. Another less computationally intensive method describes the polydisperse phase in the Lagrangian context, where the computational cost is proportional to the number of droplets. In the Eulerian context the polydisperse phase is described by balance equations similar to those for the gas phase. Hence the computational costs are independent from the loading but the description of polydispersity causes increased computational costs. In this work a moment method (DQMOM) in the Eulerian context is used to describe polydisperse and evaporating sprays. This method ensures lower computational time and costs compared to the above mentioned methods. In terms of future application in the industrial environment this method, consisting of the Multi-Fluid-Method and the DQMOM is implemented in an unstructured CFD code (Precise-Unstructured) and investigated. With selected test cases first the implementation of the Multi-Fluid-Method and the used models are verified. Afterwards DQMOM is verified using one dimensional test cases where a polydisperse spray under the effect of drag forces evaporates. Finally this method is applied to simulate an experimental investigation of evaporating tetralin droplets. The comparison of the results shows that DQMOM can describe polydisperse sprays and captures the influence of drag forces, evaporation and saturation effect.English
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Energie- und Kraftwerkstechnik
Date Deposited: 19 May 2010 08:11
Last Modified: 07 Dec 2012 11:57
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-21477
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Janicka, Prof. Dr.- Johannes / J. J. and Lang, Prof. Dr. Jens / J. L.
Refereed: 20 April 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2147
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