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Investigation of Free-surface Flow Associated with Drop Impact: Numerical Simulations and Theoretical Modeling

Berberovic, Edin :
Investigation of Free-surface Flow Associated with Drop Impact: Numerical Simulations and Theoretical Modeling.
TU Darmstadt / FG Strömungslehre und Aerodynamik
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Investigation of Free-surface Flow Associated with Drop Impact: Numerical Simulations and Theoretical Modeling
Language: English
Abstract:

This work is devoted to investigation of free-surface flow associated with drop impact. The main goal of the work is the computational and the theoretical study of the flow generated by drop collisions and drop impact onto different surfaces, with relevance for spray impingement. The considered flow configurations include drop impact onto a shallow liquid layer, binary drop collision, drop impact onto a dry wall, nonisothermal drop impact onto a heated wall with the accompanying simultaneous heat transfer within the wall, and drop impact onto a porous substrate. The potential of the new interface capturing methodology developed by OpenCFD Ltd and based on the volume-of-fluid (VOF) model within the framework of Computational Fluid Dynamics (CFD) is evaluated by contrasting the results of numerical simulations to the in-house experimental results and the existing experimental and numerical result databases. The novelty in the numerical approach is the introduction of an additional convective term into the equation for the indicator function, which acts as an artificial compressive contribution in the integrated equation and enables suppression of the numerical diffusion thereby providing a sharp definition of free surfaces. The flows studied are treated as being laminar and computed in the framework of the finite-volume numerical method. In general, the numerical model and the computational procedure demonstrate good predictive capabilities by reproducing correctly the studied flows mentioned above, both qualitatively and quantitatively. All important effects observed in the experiments are reproduced and particularly some distinctive features of the flow are properly captured. The numerical simulations of the different flow configurations pertinent to spray impact provide a detailed insight into the dynamics of the flow and enable analytical modeling using simplified theoretical approaches. In particular the computational results provide all the flow details which are inaccessible by present experimental techniques, they are used to prove the theoretical assumptions and yield the required database for defining new flow patterns and their analytical modeling.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Untersuchung von Strömungen mit freien Oberflächen verbunden mit Tropfenaufprall. Das Hauptziel der Arbeit ist die numerische und die theoretische Untersuchung der Strömungen erzeugt durch Tropfenkollisionen und Tropfenaufprall auf verschiedene Oberflächen, die von Bedeutung in Sprayaufprall sind. Die in Betracht gezogenen Strömungskonfigurationen beziehen Tropfenaufprall auf eine flache Flüssigkeitsschicht, binäre Tropfenkollisionen, Tropfenaufprall auf eine trockene Wand, nicht isothermen Tropfenaufprall auf eine beheizte Wand mit der gleichzeitigen Wärmeübertragung innerhalb der Wand und Tropfenaufprall auf eine poröse Schicht ein. Das Vermögen der neuen auf dem volume-of-fluid (VOF) Model basierenden und von OpenCFD Ltd vorgeschlagenen Methodologie zur Erfassung der freien Oberflächen im Rahmen von Computational Fluid Dynamics (CFD) wird beurteilt durch Gegenüberstellung der numerischen Ergebnisse den vor Ort gewonnenen experimentellen Ergebnissen und der existierenden experimentellen und numerischen Datenbank von Ergebnissen. Die Neuigkeit in dem numerischen Verfahren ist die Einführung eines zusätzlichen Konvektionsterms in die Transportgleichung für die Indikatorfunktion, welches eine künstliche kompressive Auswirkung in der integrierten Gleichung erzeugt und zur Unterdrückung der numerisch erzeugten Diffusion führt und dabei eine scharfe Definition der freien Oberflächen ermöglicht. Die untersuchten Strömungen werden als laminar betrachtet und im Rahmen des numerischen Finite-Volumen Verfahrens berechnet. Generell, das numerische Model und die Rechenprozedur demonstrieren eine gute prädiktive Kapazität indem sie die untersuchten oben genannten Strömungen korrekt reproduzieren, sowohl im qualitativen als auch in quantitativen Sinne. Alle wichtigen Effekte aus den Experimenten werden reproduziert, wobei speziell einige kennzeichnenden Merkmale genau erfasst werden. Numerische Simulationen der verschiedenen Strömungskonfigurationen bezogen auf Sprayaufprall liefern einen detaillierten Einblick in das dynamische Verhalten der Strömung und ermöglichen analytische Modellierung unter Einsatz von vereinfachten theoretischen Ansätzen. Die Rechenergebnisse stellen insbesondere alle derzeit mit experimentellen Methoden unzugänglichen Details der Strömung zur Verfügung, sie bestätigen die theoretisch getroffenen Annahmen und bringen die erforderliche Datenbank der Ergebnisse zum Definieren neuer Strömungsstrukturen und deren analytischen Modellierung hervor.German
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Strömungslehre und Aerodynamik
Date Deposited: 12 Nov 2010 12:35
Last Modified: 07 Dec 2012 11:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-23197
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Tropea, Prof. Dr.- Cameron and Weigand, Prof. Dr.- Bernhard and Roisman, Priv.-Doz. Ilia V.
Refereed: 2 November 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2319
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