Transport im Grenzflächenbereich

Bezogen auf Die Methode des Grenzflächentransports ermöglicht die Modellierung der Koaleszenz- und Zerfallsprozesse von Tröpfchen. Ursprünglich für Anwendungen in Kernreaktoren entwickelt, bietet dieser Ansatz folgende Vorteile: genauere Tröpfchengrößenanalyse, schnellere Ergebnisse und geringerer Rechenaufwand. Im Vergleich zu den in gängiger kommerzieller Software verwendeten Lagrange- und Populationsbilanzmethoden liefert diese Methode in bestimmten Fällen genauere Ergebnisse bei deutlich geringerem Rechenaufwand.

• Diese Methode arbeitet mit einem vollständig Euler’schen Partikellöser und ermöglicht die physikalische Verfolgung von Partikelgrößenänderungen mithilfe einer einzigen zusätzlichen Gleichung. Sie gewährleistet die kontinuierliche räumliche Verteilung von Partikelgrößen und -dichten und führt so zu genaueren, schnelleren und robusteren Ergebnissen.

• Es ist um ein Vielfaches schneller als Lagrange-Modelle (oft auch als „diskrete Phasenmodelle“ bezeichnet). Der Speicherbedarf ist vernachlässigbar. In transienten Szenarien, insbesondere in Brennkammern und bei der Flüssigkraftstoffeinspritzung, lassen sich die Auswirkungen von Milliarden von Partikeln schnell und effizient berechnen. Zu diesen Szenarien gehören dynamische Prozesse wie Druckschwankungen im Zylinder und plötzliche Verbrennungsänderungen.

• Im Gegensatz zu Populationsbilanz- und Lagrange-Modellen weisen Partikelgrößen, wie in der Realität zu erwarten, kontinuierliche Variationen auf, was zu physikalisch genaueren und realistischeren Ergebnissen führt. Die Annahme, dass sich die Partikelgröße nur innerhalb diskreter Bereiche ändert, wie bei Populationsbilanzmethoden, ist nicht erforderlich. Dies ermöglicht in vielen Fällen physikalisch fundiertere, leistungsfähigere und schnellere Simulationen.

• Das bestehende Modell ermöglicht passive Übergänge zu porösen Strukturen bei Partikelansammlungen oder Blockierungen des Granulatflusses. Für Flüssigkeitströpfchen existiert jedoch noch kein Modell für den vollständigen Übergang in die flüssige Phase aufgrund von Ansammlungen.

Betrachten wir beispielsweise Feststoffraketenmotoren. Im Inneren des Motors entstehen Aluminiumoxidtröpfchen, die akustische und thermohydraulische Effekte erzeugen, welche die Motorleistung, die Verbrennungseffizienz und die Stabilität erheblich beeinflussen. Diese Effekte wirken sich direkt auf die Temperaturverteilung und den Strömungswiderstand im Motor aus und spielen somit eine entscheidende Rolle für die Leistung. Partikel mit einer Größe von etwa 1 Mikrometer können unter turbulenten Einflüssen, insbesondere in größeren Motoren, verschmelzen und auf Größen von bis zu 100 Mikrometern anwachsen. Diese Größenänderung unterstreicht die Bedeutung der Partikelverschmelzung in turbulenten Strömungen. Später, beginnend in der Nähe des engsten Düsenkeils, zerfallen diese Partikel aufgrund von Oberflächeninstabilitäten, die durch Strömungsungleichgewichte verursacht werden, wieder. Diese Instabilitäten resultieren aus Vibrationen, die durch die Strömungsdynamik hervorgerufen werden. Insgesamt haben diese Partikel, die etwa 40 % der Masse ausmachen, nicht zu vernachlässigende Auswirkungen. Sie beeinflussen den Verbrennungsprozess sowie die Strömungs- und Akustikdynamik im Motor maßgeblich. Mithilfe des Modells, das wir in die CMPS Mithilfe von Software lassen sich all diese internen Motorphänomene simulieren. Ziel ist eine detaillierte Analyse der kritischen Prozesse, die die Motorleistung beeinflussen.

Referenzen

• T. Hibiki, M. Ishii, „Entwicklung der Grenzflächentransportgleichung“, Nuclear Engineering and Design, Band 202, Ausgaben 2-3, 2000, Seiten 183-200.

• Luo, H. (1993). Modelle für turbulente Koaleszenz in Flüssig-Flüssig-Dispersionen. AIChE Journal, 39(9), 1438–1448.

• M. Ishii, T. Hibiki, „Thermohydraulik der Zweiphasenströmung“, Springer, 2006.

• DE Clark, RD Williams, „Mehrphasenströmungsdynamik: Theorie und Numerik“, CRC Press, 2010.

• JT Jeong, M. Ishii, „Droplet Dynamics in Liquid-Liquid Systems“, Chemical Engineering Science, Band 55, Heft 21, 2000, Seiten 4885-4895.

• M. Ishii, S. Kim, J. Uhle, „Interfacial Area Transport Equation: Model Development and Benchmark Experiments“, International Journal of Heat and Mass Transfer, Band 45, Ausgabe 15, 2002, Seiten 3111-3123.