Liquid Fuel Atomization and Evaporation in Complex Geometries Using High-Fidelity Multi-Scale Simulation Methods

Modern combustion systems used in applications like automotive, ship and aerospace engines are increasingly focused on advanced technologies that may enable to reduce pollutant emissions and incorporate carbon neutral fuels. In such systems mainly fired with liquid fuel, the process of liquid injection is essentially realized under non-isothermal conditions making the whole liquid injection a very complex phenomenon featuring a wide range of length and time scales. Thereby, complex interaction processes take especially place between flow dynamics, atomization, evaporation, turbulent mixing and combustion, which critically influence fuel-air mixture formation and pollutant generation. Understanding these processes is vital not only for advancing nozzle design, but also for optimizing fuel-air mixing, and improving combustion efficiency. High fidelity numerical simulation techniques are able to support such a challenge.

That is why, in the present work, a novel multiscale approach is developed which saves computational costs and is able to capture correctly the whole spray formation and dispersion while including the in-nozzle flow, the liquid fuel atomization and the phase change throughout the spray regions. The suggested approach consists in a seamless coupling of the Volume of Fluid (VOF) method and the Lagrangian Particle Tracking (LPT) within a high-fidelity framework based on Large Eddy Simulation (LES) techniques. Adaptive Mesh Refinement (AMR) is incorporated into the simulation setting to dynamically enhance the resolution of the liquid-gas interface, effectively lowering computational costs while ensuring accuracy. The coupling algorithm is implemented into the open source CFD code OpenFOAM.

First, the model is developed and validated to deal with isothermal applications of liquid jet injection, and then applied to three practical configurations, namely the liquid jet injection in cross-flow (LJICF), the spray atomization from a pressure swirl atomizer, and the spray atomization with co-flow effects from a spray burner. The results successfully reproduce the key atomization processes, including the in-nozzle flow, the jet penetration, the breakup and the droplet dispersion, while highlighting the significant influence of turbulent co-flow on the spray cone angle, sheet thickness, breakup length and droplet distribution.

Encouraged by these impressive achievements, the approach could be then extended by consistently integrating the phase change into the overall modeling. This makes it possible to investigate practical configurations under non-isothermal conditions. Two cases are selected for this purpose. The first allows to analyze and quantify the influence of evaporation on the entire spray evolution in LJICF. The second brings to the fore the effects of different crossflow temperatures on atomization, evaporation, spray dispersion, interaction between turbulence and evaporation, as well as on turbulent mixing in LJICF. Overall, the extended methodology effectively captures the influence of phase change on spray dynamics in the near-nozzle region, including instabilities, breakup through appropriate breakup diagram, and penetration length of the liquid jet. In addition, it allows to quantify the influence of crossflow temperature on evaporation rates, droplet sizes, turbulence-evaporation interaction thanks to a targeted evaporation Damköhler number, and turbulent mixing through specific selected measures in the dilute spray region far from the nozzle. Comparisons with experimentally available data demonstrate the predictive accuracy and reliability of the developed approaches. In summary, these accomplishments ensure significant progress both in the development of the methodology and in the analysis of the phenomena. The established method provides a solid basis for future extensions, including combustion and other complex processes.

Moderne Verbrennungssysteme, die in Anwendungen wie Automobil-, Schiffmotoren und Luftfahrtantriebe eingesetzt werden, konzentrieren sich zunehmend auf fortschrittliche Technologien, die es ermöglichen, die Reduzierung von Schadstoffemissionen und die Integration von kohlenstoffneutralen Kraftstoffen zu erzielen. In solchen Systemen, die mit flüssigem Brennstoff vorwiegend betrieben werden, wird der Prozess der Flüssigkeitseinspritzung im Wesentlichen unter nicht-isothermen Bedingungen durchgeführt, was die gesamte Flüssigkeitseinspritzung zu einem sehr komplexen Phänomen mit einem breiten Bereich von Längen- und Zeitskalen macht. Dabei finden komplexe Wechselwirkungen zwischen Strömungsdynamik, Zerstäubung des flüssigen Kraftstoffs, Verdampfung, turbulenter Mischung und Verbrennung insbesondere statt, die die Bildung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und die Schadstoffentstehung entscheidend beeinflussen. Das Verständnis dieser Prozesse ist entscheidend nicht nur für die Weiterentwicklung des Düsendesigns, sondern auch für die Optimierung der Kraftstoff-Luft-Mischung und die Verbesserung der Verbrennungseffizienz. Hochaufgelöste numerische Simulationstechniken können diese Herausforderung bewältigen.

Deshalb wird ein neuartiger mehrskaliger Ansatz in dieser Arbeit entwickelt und numerisch umgesetzt, der Rechenkosten spart und in der Lage ist, die gesamte Spraybildung und -dispersion korrekt zu erfassen, und dabei die Strömung in der Düse, die Zerstäubung des flüssigen Kraftstoffs und den Phasenwechsel in allen Spraybereichen einzubeziehen. Dieser besteht in einer nahtlosen Kopplung der Volume of Fluid Methode (VOF) mit der sogenannten Lagrangeschen Partikelverfolgung (im Englischen „Lagrangian Particle Tracking“ (LPT)) im Rahmen einer hochaufgelösten numerischen Methodologie basierend auf Large Eddy Simulation (LES) Technik. Eine adaptive Netzverfeinerung (im Englischen: Adaptive Mesh Refinement (AMR)) wird eingesetzt, um die Auflösung der Flüssig-Gas Grenzfläche zu verbessern, wodurch die Rechenkosten stark reduziert und gleichzeitig die Genauigkeit beibehalten wird. Der Kopplungsalgorithmus ist in den Open-Source-CFD-Code OpenFOAM implementiert.

Zunächst wird der Ansatz für isotherme Flüssigkeitseinspritzung entwickelt, validiert und auf drei praktische Beispiele angewendet. Dabei handelt sich um Flüssigkeitsstrahlinjektion in Querströmung (Liquid Jet in Cross-Flow, LJICF), Sprayzerstäubung aus einem Druckwirbelzerstäuber, und Sprayzerstäubung mit „Co-Flow“-Effekten aus einem Spraybrenner. Die Methodik konnte wichtige Zerstäubungsprozesse, einschließlich der Düseninnenströmung, der Strahlpenetration, des Zerfalls und der Tropfendispersion erfolgreich erfassen, und gleichzeitig den beachtlichen Einfluss der turbulenten Co-Flow auf den Sprühkegelwinkel, die Lamellendicke, die Zerfallslänge und die Tropfenverteilung quantifizieren. Auf dieser Grundlage basierend wird das Modell erweitert, indem der Phasenwechsel konsistent integriert wird, um anwendungsnahe Konfigurationen unter nicht-isothermen Bedingungen untersuchen zu können. Zwei Konfigurationen werden zu diesem Zweck ausgewählt. Die erste ermöglicht den Einfluss der Verdampfung auf die gesamte Sprayevolution in LJICF zu analysieren. Festzuhalten ist, dass die erweiterte Methodik in effektiver Weise den Einfluss des Phasenwechsels auf die Spraydynamik in der düsennahen Region korrekt erfasst. Darüber hinaus werden Instabilitäten, Zerfallsmodi durch entsprechende Zerfallsdiagram und Eindringtiefe des Flüssigkeitsstrahls detailliert charakterisiert.

Die zweite Konfiguration ermöglicht die Auswirkungen unterschiedlicher Querströmungstemperaturen auf die Verdampfungsraten, Tropfengrößen, Turbulenz-Verdampfungs-Interaktion mittels gezielt eingeführter Verdampfung-Damköhler-Zahl, und turbulente Mischung dank ausgewählter Indikatoren in dünnen Sprayregionen zu quantifizieren. Vergleiche mit experimentell verfügbaren Daten zeigen die prädiktive Genauigkeit und Zuverlässigkeit der entwickelten Ansätze. Zusammenfassend konnten erhebliche Fortschritte sowohl bei der Entwicklung der Methodik als auch bei der Analyse der Phänomene erzielt werden. Die etablierte Methode bildet eine solide Grundlage für zukünftige Erweiterungen, einschließlich der Einbeziehung von Verbrennungsprozessen und anderen komplexen Vorgängen.