Untersuchung des Zerfalls eines Flüssigkeitstropfens bei hoher Weber-Zahl mit unterschiedlichen Turbulenzmodellen


In dieser Arbeit werden die CFD-Ergebnisse einer Hochgeschwindigkeitsmehrphasenströmung, in der die gasförmige Phase überwiegt, präsentiert. Dabei wurde die Verformung eines ursprünglich sphärischen Tropfens durch eine einfallende Druckwelle (M=3) untersucht.

Bisher haben die meisten solcher Untersuchungen Turbulenzmodelle nicht explizit mit einbezogen und setzen damit die direkte numerische Simulation von Turbulenzphänomenen voraus. In dieser Arbeit wird die Rolle von subgrid-scale Turbulenz für die erwähnte Art von fluiddynamischen Strömungen mit verschiedenen LES-Modellen (Large Eddy Simulation) analysiert (implementiert in dem open-source CFD-Tool OpenFOAM®). Für die Überschallströmungen wurde ein eigens hergestellter Mehrphasen-Solver verwendet, um die Kompressibilität in beiden Phasen zu gewährleisten. Dies wurde in einer eigenen Arbeit für transsonische und M~1-Strömungen experimentell validiert. Die Simulationsergebnisse wurden mit Tröpfchen-Zerfall-Experimenten bei hoher Weber-Zahl aus der Literatur verglichen [Theofanus, T.G. und Li, G.J. (2008), “On the Physics of Aerobreakup”. Phys Fluids, Vol. 20, 052103.].


Anfängliche Konfiguration der Strömung

 

Unter den gegebenen Umständen scheinen Turbulenzmodelle ein wichtiger Faktor für die charakteristische Form des Tropfens während des Zerfalls zu sein. Für manche Modelle ergibt sich eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten. Nicht geeignete Modelle geben zusätzlichen Einblick in die Phänomene, welche für die charakteristische Form des Tropfens nach der anfänglichen Phase des Zerfall-Prozesses verantwortlich sind.

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