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Beskrivelse
Gegenstand dieser wissenschaftlichen Arbeit ist die Simulation von instationaren Zweiphasenstromungen. Die Berechnungsgrundlage ist ein gekoppeltes Euler-Lagrange- Verfahren, das im Detail vorgestellt wird. Bei dieser numerischen Methode werden die Erhaltungsgleichungen der Gasphase in einem ortsfesten Koordinatensystem gelost, wahrend die Tropfen im mitbewegten Bezugssystem betrachtet werden. Obwohl die Kopplung der beiden Phasen aufgrund der zwei unterschiedlichen Bezugssysteme einen gewissen Mehraufwand bedeutet, kann dennoch gezeigt werden, dass das Euler-Lagrange- Verfahren eine sehr viel hohere Genauigkeit besitzt, als andere gangige Verfahren. Gerade bei der direkten numerischen Simulation einer wirbelbehafteten Zweiphasenstromung ist dies entscheidend. In diesem Fall darf das numerische Verfahren keine kunstliche Diffusion beim Transport der dispersen Phase erzeugen. Anhand eines einfachen Beispieles wird gezeigt, dass das Euler-Lagrange-Verfahren diese Anforderung erfullt. Zur Validierung des Euler-Lagrange-Verfahrens wird in dieser Arbeit ein neuer Grundlagentestfall aufgesetzt: die tropfenbeladene karmansche Wirbelstrasse. Diese idealisierte Konfiguration zeichnet sich durch eine wirbelbehaftete aber dennoch laminare Zweiphasenstromung aus. Die Dispersion der Tropfen wird alleine durch makroskopische Wirbel erzeugt und nicht mit einer turbulenzbedingten Dispersion uberlagert. Dies ermoglicht eine isolierte Betrachtung der Tropfen-Wirbel-Interaktion. Abhangig von der Stokes-Zahl ergibt sich ein unterschiedliches Dispersionsverhalten, das auf die Separation und Akkumulation der Tropfen zuruckzufuhren ist. Um eine Spruhstrahlberechnung mit realen Brennstoffen prazise und effizient durchfuhren zu konnen, wird ein neuartiges Tropfenverdunstungsmodell vorgestellt, das der Destillation von Mehrkomponenten-Kraftstoffen Rechnung tragt. Das Distillation Curve Model basiert auf einem Modellkraftstoff, der die Eigenschaften eines komplexen Stoffgemisches zuverlassig beschreibt. Hohe Temperaturen und Drucke, die typischerweise in Brennkammern von Gasturbinen und Motoren auftreten, werden durch geeignete Stoffkorrelationen und Mischungsregeln berucksichtigt. Gerade der Phasenubergang an der Tropfenoberflache weicht unter diesen Bedingungen von einem thermodynamisch idealen Verhalten stark ab. Im direkten Vergleich erzielt das Distillation Curve Model eine ausgezeichnete Ubereinstimmung mit experimentellen Daten und hochauflosenden Modellansatzen. Dabei ist der Rechenaufwand dieses neuartigen Tropfenverdunstungsmodells ausserst gering. Der vorgestellte Modellansatz ist um eine Grossenordnung schneller als numerisch hochauflosende Tropfenverdunstungsmodelle. Abschliessend werden die Moglichkeiten und Grenzen bei der Simulation einer turbulenten Zweiphasenstromung aufgezeigt. Die Saugrohreinspritzung im Ottomotor erweist sich aufgrund der instationaren Spruhstrahlausbreitung als idealer Testfall. Im Gegensatz zu einer laminaren Stromung kann diese turbulente Zweiphasenstromung mit der heute zur Verfugung stehenden Computerleistung nicht direkt berechnet werden. Die Simulation wird daher mit den Reynolds-gemittelten Erhaltungsgleichungen (RANS) durchgefuhrt, wahrend der Einfluss der Turbulenz modelliert wird. Die Validierung der numerischen Resultate zeigt, dass das Euler-Lagrange-Verfahren zur Berechnung eines instationaren Einspritzvorganges bestens geeignet ist. Dennoch sind der RANS-basierten Berechnung von Zweiphasenstromungen Grenzen gesetzt. In der wissenschaftlichen Auseinandersetzung mit Tropfen-Wirbel-Interaktionen wird verdeutlicht, dass eine Modellierung der turbulenzbedingten Tropfendispersion nur bei grossen Stokes-Zahlen vertretbar ist.