Übersicht
Zerstäubungsprozesse finden in der Industrie vielfältige Anwendung. Sowohl im medizinischen Sektor, in der Prozessindustrie als auch in der Energietechnik sind diese unerlässlich, um die Oberfläche von Flüssigkeiten zu vergrößern. Insbesondere in der Energietechnik werden luftgestützte Zerstäuber eingesetzt, da diese eine flexible Regelung für gleichbleibende Sprayqualität bei variierenden Betriebspunkten zulassen. Deshalb sind in Flugtriebwerken luftgestützte Zerstäuber besonders attraktiv.
Physikalisch kennzeichnet sich der Zerstäubungsprozess durch komplexe dynamische Phänomene aus, die bislang eine geschlossene analytische Beschreibung verhindern (siehe Abbildung). Da der Prozess ferner chaotischer Natur ist und somit starke räumliche und zeitliche Skalenunterschiede vorliegen, streben wir eine adäquate statistische Beschreibung an, um industrielle Designtools zu verbessern.
Vision
Um den statistischen Charakter besser beschreiben zu können, verfolgen wir am Institut einen kombinierten experimentellen und numerischen Entwicklungsansatz. Es kommen dabei aus experimenteller Sicht diverse Verfahren zum Einsatz:
- Laser Doppler Anemometrie
- Phasen Doppler Anemometrie
- Particle Image Velocimetry
- Shadowgraphy
- Particle and Ligament Tracking Velocimetry
- Laser Focus Displacement
Numerische Untersuchung von Airblast Zerstäubung bei subatmosphärischen Bedingung
Die derzeitigen Entwicklungstrends von zivilen Flugtriebwerken werden maßgeblich durch Effizienzsteigerung und durch Schadstoffminderung getrieben. Dies hat zur Konsequenz, dass das Wiederzünden von modernen Triebwerken in großer Höhe, im Falle eines Flammabrisses, sicherheitskritisch werden kann. Begründet ist dies in der Kombination wachsender Fandurchmesser mit erhöhter Massenträgheit, kompakter werdenden Brennkammern und den extremen thermodynamischen Bedingungen der Luft in entsprechender Höhe. Um auch in Zukunft einen sicheren Betrieb bei subatmosphärischen Bedingungen garantieren zu können, wird die Zündungsproblematik im Detail im Rahmen des EU-Projekts "PROTEUS" im Förderprogramm Horizont 2020 in Kooperation mit Rolls-Royce und den Universitäten in Cambridge und Cranfield untersucht. Mit dem Ziel verbesserte Einspritzmodelle für industrielle Designtools abzuleiten, ist unser Fokus dabei auf der hochaufgelösten numerischen Simulation der Kerosineinspritzung mithilfe der Smoothed-Particle-Hydrodynamics Methode (SPH). Besonders herausfordernd für die Modellierung ist die Tatsache, dass große, asphärische Kerosinfragmente die Spraydynamik und Spraystatistik kennzeichnen, die aus dem geringen Impuls der Luftströmung resultieren.
Im numerischen Bereich hingegen fokussieren wir uns auf eine mehrphasen Smoothed-Particle-Hydrodynamics (SPH) Methode. Hierfür haben wir eigenständig einen massiv parallelisierten Code entwickelt.