Das Verhalten von mono- und bifluiden Tropfen unter aerodynamischer Last
Lars Wieth
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Lars Wieth, Das Verhalten von mono- und bifluiden Tropfen unter aerodynamischer Last (2018), Logos Verlag, Berlin, ISBN: 9783832590321
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Description / Abstract
In den letzten Jahrzehnten wurde ein starker Anstieg des Energiebedarfs in allen
Bereichen der globalen Wirtschaft und der Gesellschaft verzeichnet. Dieser Trend wird auch zukünftig anhalten. Um die Folgen der daraus resultierenden Klimaerwärmung auf den Planeten einzudämmen müssen hocheffiziente Prozesse zur drastischen Senkung der Schadstoffemissionen und zur Verringerung des Verbrauchs von
Primärenergieträgern entwickelt werden. Zur Optimierung von Energieumwandlungsprozessen kommen sowohl experimentelle als auch numerische Methoden zum Einsatz. Vertrauenswürdige und validierte numerische Verfahren ermöglichen detaillierte Vorhersagen der vorherrschenden Phänomene in relativ kurzer Zeit bei klar definierten Randbedingungen.
An diesem Punkt knüpft die vorliegende Arbeit an. Es werden detaillierte numerische Vorhersagen des Verhaltens von mono- und bifluiden Einzeltropfen unter geringer stoßartiger aerodynamischer Last mit Hilfe der Lagrangeschen Smoothed-Particle-Hydrodynamics-Methode (SPH) untersucht. Im Focus stehen die Deformation, die Schwingung und die Trajektorie der Tropfen. In dieser Arbeit wird nachgewiesen, dass die eingesetzte SPH-Methode die komplexen mehrphasigen Vorgänge bei erzwungenen Formschwingungen in hoher Genauigkeit wiedergibt. Zudem wird die Methode durch ein allgemeines Dreiphaseninteraktionsmodell erweitert und als Werkzeug zur Plausibilisierung, Kalibrierung und Neuentwicklung von vereinfachten Modellen und Methoden verwendet.
Bereichen der globalen Wirtschaft und der Gesellschaft verzeichnet. Dieser Trend wird auch zukünftig anhalten. Um die Folgen der daraus resultierenden Klimaerwärmung auf den Planeten einzudämmen müssen hocheffiziente Prozesse zur drastischen Senkung der Schadstoffemissionen und zur Verringerung des Verbrauchs von
Primärenergieträgern entwickelt werden. Zur Optimierung von Energieumwandlungsprozessen kommen sowohl experimentelle als auch numerische Methoden zum Einsatz. Vertrauenswürdige und validierte numerische Verfahren ermöglichen detaillierte Vorhersagen der vorherrschenden Phänomene in relativ kurzer Zeit bei klar definierten Randbedingungen.
An diesem Punkt knüpft die vorliegende Arbeit an. Es werden detaillierte numerische Vorhersagen des Verhaltens von mono- und bifluiden Einzeltropfen unter geringer stoßartiger aerodynamischer Last mit Hilfe der Lagrangeschen Smoothed-Particle-Hydrodynamics-Methode (SPH) untersucht. Im Focus stehen die Deformation, die Schwingung und die Trajektorie der Tropfen. In dieser Arbeit wird nachgewiesen, dass die eingesetzte SPH-Methode die komplexen mehrphasigen Vorgänge bei erzwungenen Formschwingungen in hoher Genauigkeit wiedergibt. Zudem wird die Methode durch ein allgemeines Dreiphaseninteraktionsmodell erweitert und als Werkzeug zur Plausibilisierung, Kalibrierung und Neuentwicklung von vereinfachten Modellen und Methoden verwendet.
Table of content
- BEGINN
- Inhaltsverzeichnis
- Abbildungen
- Tabellen
- Symbole
- 1 Einleitung
- 2 Stand der Forschung
- 2.1 Phänomenologische Betrachtung von Tropfen unter aerodynamischer Last
- 2.2 Beschreibung von Tropfen unter geringer aerodynamischer Last
- 2.3 Numerische Untersuchungen aerodynamisch beaufschlagter Tropfen
- 2.4 Untersuchungen von Mehrphasenströmungen mit der SPH-Methode
- 2.5 Untersuchungen zur Zerstäubung von Emulsionen
- 3 Zielsetzung
- 4 Smoothed Particle Hydrodynamics
- 4.1 Mathematische Beschreibung von Mehrphasenströmungen
- 4.2 Diskretisierung
- 4.3 Erhaltungsgleichung in SPH-Form
- 4.4 Inkompressibilität
- 4.5 Randbedingungen
- 4.6 Mehrphasenströmung in SPH
- 5 Modellentwicklung zur Beschreibung von Dreiphaseninteraktionen in SPH
- 5.1 Umsetzung des Dreiphaseninteraktions-Modells
- 5.2 Validierung des Fluid-Wand-Interaktionsmodells
- 5.3 Validierung des Drei-Fluid-Interaktionsmodells
- 6 Simulation der aerodynamischen Beaufschlagung von Tropfen
- 6.1 Rechengebiet und Randbedingungen
- 6.2 Simulationsübersicht
- 7 Monofluide Tropfen unter aerodynamischer Last
- 7.1 Deformationsverhalten bei unterkritischer aerodynamischer Belastung
- 7.2 Frequenz- und Dämpfungsverhalten von Tropfenschwingungen
- 7.3 Tropfenbewegung bei unterkritischer aerodynamischer Last
- 7.4 Vergleich der Vorhersage der SPH-Methode und des NLTAB3-Modells über das Verhalten monofluider Tropfen
- 7.5 Tropfendeformation und -aufbruch bei überkritischer aerodynamischer Belastung
- 8 Bifluide Tropfen unter aerodynamischer Last
- 8.1 Einfluss von Wasser auf das Deformationsverhalten von Kraftstofftropfen bei unterkritischer aerodynamischer Belastung
- 8.2 Beeinflussung der Tropfenbewegung durch einen im Kraftstoff platzierten Wassertropfen
- 8.3 Einfluss des Volumenanteils des Wassers und der Fluidanordnung auf das Verhalten von bifluiden Einzeltropfen
- 9 Zusammenfassung und Ausblick
- Literatur
- Studentische Arbeiten
- Anhang
- A.1 Stoffwerte und Kontaktwinkel der n-Alkane zur Validierung des dynamisches Benetzungsverhaltens
- A.2 Fehlerabschätzung der mit SPH bestimmten statischen Kontaktwinkeln allgemeiner Drei-Fluid Interaktionen
- A.3 Einfluss der Ohnesorge Zahl auf die Trajektorie, Geschwindigkeit und Beschleunigung monofluider Einzeltropfen
- A.4 Frequenz- und Dämpfungsverhalten monofluider Einzeltropfen
- A.5 Vergleich der vorhergesagten Widerstandsbeiwerte mit Korrelationen aus der Literatur
- A.6 Vergleich der mit SPH und dem NLTAB3 Modell vorhergesagten Querausdehnung
- A.7 Auswertung der Spannungsanteile eine mit der SPH Methode vorhergesagten Wassertropfens
- A.8 Vergleich der Tropfentrajektorie und -geschwindigkeit vorhergesagt mit SPH und dem NLTAB3 Modell
- A.9 Vergleich des mit SPH und dem NLTAB3 Modell vorhergesagten Tropfenwiderstands
- A.10 Zeitliche Entwicklung der Quer- und Längsausdehnung bifluder Einzeltropfen
- A.11 Gegenüberstellung des Verhaltens mono- und bifluider Einzeltropfen während der initialen Deformation
- A.12 Tropfenbahn und -geschwindigkeit bifluider Einzeltropfen