Direkte numerische Simulation von Düseninnenströmungen und Turbulenzeffekten auf die freie Oberfläche des Strahles

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Es ist unumstritten, daß die Turbulenz im Strahl beim Düsenaustritt einen entscheidenden Einfluß auf den Strahlzerfall und letztendlich auf die Zerstäubung hat. Im Rahmen des Schwerpunktprogrammes wird der Einfluß der Düseninnenströmung sowie ihrer Manipulation experimentell untersucht (Professor Tropea und Dr. Beushausen). Hier wird durch direkte numerische Simulation der Düseninnenströmung und des primären Strahlzerfalles ein Beitrag zum besseren Verständnis dieser Vorgänge geleistet. Es wird ein Finite-Volumen-Berechnungsverfahren eingesetzt, das zellenweise lokale Gitterverfeinerung erlaubt und gleichzeitig die Gas- und die Flüssigkeitsströmung berechnet. Die freie Flüssigkeitsoberfläche wird als Sprung in Fluideigenschaften behandelt, wobei die Effekte der Oberflächenspannung berücksichtigt werden (interface capturing Methode). Zusätzlich zu den Erhaltungsgleichungen für die Masse und den Impuls des Fluids wird auch eine Gleichung für Volumenanteil der flüssigen Phase gelöst, welche die Einhaltung der kinematischen Randbedingung an der freien Oberfläche ermöglicht. Kavitation, Verdampfung und Kondensation werden in der ersten Phase nicht berücksichtigt. Durch die Möglichkeit der lokalen Gitterverfeinerung können Grenzschichtmanipulatoren (Querdrähte, Wandrauhigkeiten) und die freie Oberfläche aufgelöst werden. Das Verfahren wurde parallelisiert und ermöglicht somit eine effiziente Lösung von Problemen mit mehreren Millionen Gitterpunkte auf Parallelrechnern und Rechnerclustern.