Experimentelle und numerische Untersuchung des primaeren Strahlzerfalls von Druckzerstaeubern

Zielsetzung der Arbeit ist es, die Düsenströmung und das Spray eines Druckzerstäubers quantitativ experimentell zu untersuchen, um mit den gewonnenen Erkenntnissen die Modellierungsansätze für den Primärzerfall zu verbessern und diese anschließend im Rahmen von Euler-Lagrange‘schen 3D CFD Spraysimulationen zu validieren. An einer Prinzipdüse werden daher lokale und quantitative Strömungsinformationen im Spritzloch und im Spray mit der Doppler Messtechnik erfasst. Bei kavitierenden Strömungszuständen sind turbulente Schwankungsgeschwindigkeiten quantifiziert, welche zu einem schnelleren Strahlzerfall bei diesen einfachen Druckzerstäubern führen. Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse ist ein Primärzerfallsmodell weiterentwickelt worden, welches unter Berücksichtigung der Düsenströmung die Tropfeneigenschaften berechnet. Durch die Verwendung der lokalen Sekundärgeschwindigkeiten und Turbulenzgrößen am Düsenaustritt wird das Spray ohne Vorgabe von Tropfengrößenverteilung und Aufbruchwinkel berechnet. Am Beispiel einer Hochdruck-Dieseleinspritzdüse zeigt ein detaillierter Vergleich mit Messergebnissen bei einer Variation der Düsengeometrie und des Gegendrucks eine gute Übereinstimmung. Die anschließende Sensitivitätsanalyse quantifiziert den Einfluss der Modellparameter. Die Spraysimulation der zuvor untersuchten Prinzipdüse zeigt die prinzipielle Übertragbarkeit auf andere Zerstäubungsbereiche. Zukünftig kann das Primärzerfallsmodell den Entwicklungsprozess unterstützen, indem das Motorverhalten in der 3D CFD Simulation unter Berücksichtigung der Düsengeometrie vorhergesagt werden kann.

The objective of this work is to experimentally quantify the inner nozzle flow and the spray break-up of a pressure atomizer. The results were used to improve the modelling of the primary break-up and to validate the model with experimental data using three-dimensional CFD simulations employing a Euler-Lagrangian scheme. Local velocity measurements inside a reference nozzle and in the resulting spray were performed using a Laser Doppler system. Under cavitating conditions the turbulent velocity fluctuations inside the nozzle were shown to correlate well with an early break up of the spray. The experimental results were used to develop a primary breakup model, which predicts the droplet properties depending on the inner nozzle flow. The new model yields droplet size distributions and spray angles dependt on the locally resolved secondary velocities and turbulence properties at the nozzle exit. A detailed comparision with experimental data of high-pressure Diesel injection valves shows good agreement for different nozzle geometries and back pressures. A sensitivity study quantifies the influence of the different model parameters. A spray simulation of the previously investigated reference nozzle shows the principle transferability to other breakup regimes. The results of this study contribute to an improved three-dimensional CFD simulation of engine performance by supplying a reliable prediction of the primary breakup dependent on nozzle geometry.