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Detaillierte numerische Simulationen von flugtriebwerksrelevanten Zweiphasenströmungen

Spyrou, Nikolaos :
Detaillierte numerische Simulationen von flugtriebwerksrelevanten Zweiphasenströmungen.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Detaillierte numerische Simulationen von flugtriebwerksrelevanten Zweiphasenströmungen
Language: German
Abstract:

In dieser Arbeit werden numerische Simulationen von Gas-Flüssigkeit-Zweiphasenströmungen unter Berücksichtigung der Phasengrenze zwischen den beteiligten Fluiden durchgeführt, wobei der Fokus auf Prozessen liegt, welche für die Kraftstoffzerstäubung in Flugtriebwerken relevant sind. Die numerische Untersuchung der Phasengrenzendynamik und des Primärzerfalls kann dazu beitragen, das Verständnis der komplexen Vorgänge an der Phasengrenze zu erhöhen und so prädiktiven Zerfallsmodellen einen kleinen Schritt näher zu kommen. Die in dieser Arbeit untersuchten Konfigurationen sind so ausgewählt, dass die verschiedenen Aspekte, die bei der Kraftstoffzerstäubung in Flugtriebwerken eine Rolle spielen, Berücksichtigung finden. Es werden ein schubspannungsgetriebener flüssiger Wandfilm in beschleunigter Luftströmung, der Strahlzerfall eines Kerosinjets in einer senkrecht dazu verlaufenden Luftströmung, und der Zerfall eines flüssigen Wandfilms, welcher am Ende der filmtragenden Wand zwei Luftströmen ausgesetzt ist, numerisch untersucht. Dabei werden die Simulationsergebnisse experimentellen Daten gegenübergestellt und besonderes Augenmerk auf die Beschreibung der Phasengrenzendynamik gelegt, welche bei Primärzerfallsprozessen einer detaillierten experimentellen Untersuchung in der Regel nicht zugänglich ist. Am Beispiel des letztgenannten Falls wird ein Konzept vorgestellt, welchem der Gedanke zugrunde liegt, einen Zerstäubungsvorgang mittels Direkter Numerischer Simulation (DNS)zu berechnen, ohne die detaillierte Geometrie der Zerstäubungsapparatur in der DNS abbilden zu müssen. Dazu wird nur das interessierende Teilgebiet in der DNS abgebildet und die Randbedingungen für die Ränder des gewählten DNS-Gebietes durch separate Simulationen zuvor berechnet. Darüber hinaus wird der Einfluss einzelner Parameter auf das dynamische Verhalten der Phasengrenze isoliert, was experimentell oftmals nicht zu bewerkstelligen ist. Zur numerischen Untersuchung wird ein auf der Volume-of-Fluid-Methode (VoF) basierendes Verfahren zur Erfassung der Phasengrenze eingesetzt. Der Vorteil von VoF-Verfahren liegt darin, dass sie konservativ sind und starke Topologieänderungen der Phasengrenze abbilden können.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This work deals with numerical simulations of two phase flows as they can be found in fuel atomization processes of aircraft engines. The spray generation passes the processes of primary and secondary breakup of the fuel jet resulting in droplets of different sizes and shapes and leads due to evaporation to a gaseous fuel/air mixture in the combustion chamber. The focus of this work is on the phase interface dynamics in the primary breakup region. In this region experimental techniques suffer from optical acces to the phase interface and there are no models available that can predict the droplet size distribution of an atomization process. By numerical methods in turn the phase interface dynamics that lead to primary breakup can be investigated and parameter variations can be performed easily so that the impact of different parameters on the primary breakup can be isolated. Hence the insight into the physics of atomization processes can be gained by numerical simulations and may bring predictive atomization models one step closer. The investigated configurations in this work play an important role for atomization in aircraft engines. The selected test cases comprise the development of a liquid wall film without breakup, the breakup of a fuel jet in crossflow and the disintegration of a liquid sheet exposed to a gaseous shear flow. The numerical results are compared to experimental results from literature and for the latter test case a procedure on a simplified geometry is introduced that is aimed at performing Direct Numerical Simulations (DNS) of primary breakup in atomizers without the need to include the whole atomizer geometry in the DNS and hence to safe computational time. The conceptual idea is to perform the two phase DNS only in the region of interest where atomization occurs and to supply the boundary data for the free patches of the calculation domain from preceeding Large Eddy Simulation results with less numerical effort. The numerical simulations are carried out in the finite volume framework and the numerical methodology to account for the two phase flow field and the phase interface is a Volume Of Fluid based approach.English
Uncontrolled Keywords: Strahlzerfall, Zweiphasenströmung, Strömungssimulation
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Energie- und Kraftwerkstechnik
Date Deposited: 08 Nov 2011 11:45
Last Modified: 09 Dec 2012 16:05
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-27689
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Johannes, Prof. Dr.- Janicka and Hans-Jörg, Prof. Dr.- Bauer
Refereed: 9 February 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2768
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