Simulation of the droplet evaporation and combustion and droplet impact on a solid surface using a discontinuous Galerkin scheme

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Die Untersuchung der Verbrennung von Einzeltropfen ist von entscheidender Bedeutung für Verständnis, Konstruktion und Optimierung der Effizienz von Verbrennungssystemen sowie für Verständnis und Modellierung der häufig in technischen Anwendungen vorliegenden Sprayverbrennung. Allgemeines Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Implementierung eines hochgenauen numerischen Lösers zur Simulation der Verdampfung und Verbrennung eines einzelnen Kraftstofftropfens innerhalb eines Strömungsfeldes sowohl mit als auch ohne Berücksichtigung der Gravitation. Außerdem soll der Tropfenaufprall des brennenden Kraftstofftropfens auf eine feste Wand untersucht werden. Zur möglichst genauen Berechnung der nicht mischbaren Gas/Flüssig- Zweiphasenströmung mit einer nicht-materiellen, zeitlich deformierbaren Phasengrenzfläche und der Transportprozesse der chemischen Spezies soll die diskontinuierliche Galerkin (DG) Methode verwendet werden. Die DG Bibliothek BoSSS (Bounded Support Spectral Solver) zur Simulation ein- und mehrphasiger Strömungen ist aktuell in Entwicklung. Unter Verwendung einer Interface Tracking Methode kombiniert mit der Cut-Cell Technik und nicht-glatten Basisfunktionen soll BoSSS zur Simulation der Tropfenverbrennung erweitert werden. Um die Komplexität der Simulationen überschaubar zu halten, soll in der ersten Antragsperiode die Kontaktliniendynamik, welche beim Aufprall des Tropfens auf die Wand auftritt, mit konventionellen Methoden wie der Slip Randbedingung nahe der Dreiphasen- Kontaktlinie und einer halbempirischen Funktion für den dynamischen Kontaktwinkel modelliert werden. In der zweiten Phase dieses Projekts sollen zusätzlich der Wärmeaustausch zwischen Wand und Fluid, welcher durch Wärmeverlust zum Verlöschen der Flamme führen kann, sowie Bilanzgleichungen auf der Grenzfläche- und möglicherweise Kontaktlinie zur Untersuchung des Kontaktlinienproblems berücksichtigt werden.