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Direkte Numerische Simulation binärer Kollisionen newtonscher und nichtnewtonscher Tropfen

Focke, Christian Alexander :
Direkte Numerische Simulation binärer Kollisionen newtonscher und nichtnewtonscher Tropfen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Direkte Numerische Simulation binärer Kollisionen newtonscher und nichtnewtonscher Tropfen
Language: German
Abstract:

Binäre Tropfenkollisionen werden als ein Elementarprozess in Sprays betrachtet. Sie beeinflussen die resultierende Tropfengrößenverteilung maßgeblich. Um eine verbesserte Vorhersage des Ausgangs von Tropfenkollisionen zu ermöglichen, ist ein Verständnis des Einflusses der Flüssigkeitsrheologie auf die Kollisionsdynamik wie auch auf die Strömung im Inneren der kollidierenden Tropfen erforderlich. Daher werden Direkte Numerische Simulationen (DNS) mit dem Inhouse-Code Free Surface 3D (FS3D) durchgeführt, einer erweiterten Volume-of-Fluid (VOF) Methode. Kollisionen von nicht-isoviskosen, scherverdünnenden und viskoelastischen Tropfen werden untersucht.

Ein zentrales Ziel der Forschung ist die Herleitung von mechanistischen Modellen für den Ausgang von Kollisionen, die für skalenreduzierte numerische Berechnungen wie Euler-Euler- oder Euler-Lagrange-Simulationen verwendet werden können. Die getrennte Betrachtung von Lamellengeometrie und Lamellendickenevolution erlaubt die Vorhersage der Kollisionsdynamik zentraler Kollisionen viskoser Tropfen im sprayrelevanten Bereich moderater Reynolds- und Weberzahlen.

Bei Tropfenkollisionen entstehen extrem dünne Flüssigkeitslamellen, vor allem im Fall einer hohen Aufprallgeschwindigkeit. Diese müssen im numerischen Lösungsverfahren in physikalisch sinnvoller Weise berücksichtigt werden. Dazu wird ein Stabilisierungs-Algorithmus entwickelt, der die Lamelle vor dem auflösungsbedingten Zerfall bewahrt, ohne die Bewegungen und die Deformationen der Fluidlamelle einzuschränken.

Verschiedene Trocknungshistorien führen bei Gemischtropfen zu einer unterschiedlichen Zusammensetzung. Die Kollision von Tropfen mit ungleicher Viskosität erfordert eine Erweiterung des VOF-Verfahrens durch Lösen einer zusätzlichen Transportgleichung, um die Verteilung des Polymermassenanteils innerhalb des Stoßkomplexes zu erhalten. Um die in den Experimenten beobachtete Koaleszenzverzögerung zu erfassen, wird die Topologieänderung numerisch verzögert. Die Ergebnisse geben einen Einblick in Eindring- und Verkapselungsprozesse.

DNS von Kollisionen scherverdünnender Tropfen zeigen, dass nahezu die gesamte viskose Dissipation während der Anfangsphase der Kollision auftritt. Daher kann eine effektive konstante Viskosität gefunden werden, die sowohl in zentralen als auch in dezentralen Kollisionen zu derselben Kollisionsdynamik führt.

Um viskoelastische Zweiphasenströmungen zu simulieren, wurde die VOF-Methode für Oldroyd-B Fluide erweitert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Dehnung der Polymermoleküle im Ligament dem Zerfall der Tropfen bei einer dezentralen Kollision entgegen wirkt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Binary droplet collisions are considered as an elementary process in sprays. They influence the resulting droplet size distribution significantly. In order to enable an improved prediction of the outcome of droplet collisions an understanding of the influence of rheology on the collisions as well as on the flow dynamics inside the colliding droplets is required. Direct Numerical Simulations (DNS) with the inhouse code Free Surface 3D (FS3D), an extended Volume Of Fluid (VOF) method are performed. Collisions non-isoviscous, shear-thinning and viscoelastic droplets are investigated. A pivotal aim of the research is the derivation of mechanistic models for the outcome of collisions which can be used for scale reduced simulations like Euler-Euler or Euler-Lagrange simulations. The separate analysis of the lamella geometry and thickness evolution allows for the prediction of the collision dynamics of viscous droplets in the spray relevant regime of moderate Reynolds and Weber numbers. During droplet collisions an extremely thin liquid lamella can arise especially in case of a high collision velocity. These lamellas must be taken into account in the numerical method in a physically meaningful way. A stabilization algorithm is developed which prevents the lamella of rupturing without restricting the movement and deformation of the fluid lamella. Different drying states of mixture droplets lead to different polymer concentrations. In order to simulate the collision non-isoviscous droplets, an extension of the VOF method is required. An additional transport equation is solved in order to obtain the distribution of the polymer concentration inside the collision complex. In experiments a coalescence delay of the droplets is observed which can be captured in the simulation by delaying the topology change numerically. The results give an insight into penetration and encapsulation processes. DNS of shear thinning droplets show that the complete viscous dissipation occurs during the initial phase of the collision. An effective Newtonian viscosity can be found which leads to the same collision dynamics. This concept of the effective viscosity is valid in case of head on and off center collisions. In order to simulate viscoelastic two-phase flows, the VOF method is extended for Oldroyd-B fluids. The results show that the elongation of the polymer molecules in the ligament stabilizes droplets in case of an off center collision. English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Direkte Numerische Simulation, Kollisionsmodell, Lamellenstabilisierung, nichtnewtonsch, Tropfenkollision, ungleichviskos, viskoelastisch
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
collision model, Direct Numerical Simulation, droplet collision, lamella stabilization, non-isoviscous, non-Newtonian, viscoelasticEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Dynamics (fdy)
Date Deposited: 19 Nov 2013 09:15
Last Modified: 19 Nov 2013 09:15
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-36689
Referees: Bothe, Dr. Dieter and Tropea, Dr.-Ing. Cameron
Refereed: 21 August 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3668
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