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Titelaufnahme

Titel
Multiscale modelling of the primary breakup of liquid jets / eingereicht von Mahdi Saeedipour MSc.
VerfasserSaeedipour, Mahdi
Begutachter / BegutachterinSchneiderbauer, Simon ; Steiner, Helfried
ErschienenLinz, February 2017
Umfangxiii, 135 Seiten
HochschulschriftUniversität Linz, Dissertation, 2017
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)primärer Strahlzerfall / Mehrphasenströmung / CFD / numerische Simulation / VOF / LPT/ Mehrskalenmodellierung
Schlagwörter (EN)jet breakup / primary atomization / multiphase flow / CFD / numerical simulation / multiscale modelling / VOF / LPT / high pressure die casting
Schlagwörter (GND)Mehrphasenströmung / Flüssigkeitsstrahl / Zerfall / Numerische Strömungssimulation / Mehrskalenmodell
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-15305 Persistent Identifier (URN)
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Multiscale modelling of the primary breakup of liquid jets [14.93 mb]
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Zusammenfassung (Englisch)

The primary breakup of liquid jets is a major step in many technical and industrial processes, from fuel injection to spray cooling, from ink-jet printing to surface treatment and from spray drying to medical sprays. However, due to the small length scales involved, which determine the size of entrained droplet, a fully resolved numerical simulation of industrial applications is still unfeasible. In this work a numerical model for the coarse-grid simulation of turbulent liquid jet disintegration and primary atomization is developed based on an Eulerian-Lagrangian coupling. To picture the unresolved droplet formation near the liquid jet interface in the case of coarse grids we considered a theoretical model to describe the unresolved flow instabilities leading to turbulent breakup. The generated droplets are then represented by an Eulerian-Lagrangian hybrid concept. On the one hand, we used a volume of fluid method (VOF) to characterize the global spreading and the initiation of droplet formation; one the other hand, Lagrangian droplets are released at the liquid-gas interface according to the theoretical sub-grid model balancing consolidating and disruptive energies. The dynamics of the generated droplets are modelled using Lagrangian particle tracking (LPT). A numerical coupling between the Eulerian and Lagrangian frameworks is then established via source terms in conservation equations.

The presented methodology was tested through sets of validation studies using different test cases and empirical correlations from the literature. As a more sophisticated validation study, the results of an in-house phase-Doppler anemometry (PDA) experiment were used to test the simulation results of three liquid jets at high Reynolds numbers. The droplet properties, such as size distribution, Sauter mean diameter (SMD) and velocity distributions obtained from the simulations are compared with experiment at various streamwise locations with very good agreement.

Finally, the proposed multiscale Eulerian-Lagrangian methodology is further adopted to be used for numerical simulations of the general flow behaviour, jet breakup and surface porosity formation in high pressure die casting process.

Zusammenfassung (Deutsch)

Der Zerfall von flüssigen Freistrahlen ist von großer Wichtigkeit in vielen technischen und industriellen Prozessen. Diese Prozesse reichen von Dieseleinspritzung, über Sprühkühlung, Sprühtrocknen und Tintenstrahldruckern bis zum Hochdruckformfüllen von Aluminium. Da der Strahlzerfall auf sehr kleinen Längenskalen, die die Größe der sich vom Strahl lösenden Tröpfchen bestimmen, stattfindet, ist eine hoch aufgelöste numerische Simulation von industriellen Anwendungen mit heutigen Rechenkapazitäten nicht möglich. In dieser Arbeit wurde ein numerisches Modell entwickelt, dass die "grobe" Simulation des turbulenten Strahlzerfalls durch Zerwellen und Zerstäuben ermöglicht. Dies wurde durch die Kopplung eines Lagrangen Tröpfchenmodells mit einem Eulerschen Kontinuumsmodells erreicht. Um nun die kleinskalige Ablösung von Tröpfchen vom Freistrahl unter der Verwendung von groben Rechengittern zu beschreiben, wurde ein theoretisches Modell entwickelt, dass die Instabilität der Strahloberfläche beschreibt. Während der Freistrahl mit Hilfe der Volume of Fluid (VOF) Methode (Eulersche Beschreibung) modelliert wurde, wurden die Trajektorien der sich vom Strahl lösenden Tröpfchen mittels eines Lagrangen Verfahrens bestimmt. Der Massenverlust des Freistrahl durch die Tröpfchen wurde mittels Quelltermen realisiert.

Die in dieser Arbeit entwickelte Methode wurde einerseits unter Verwendung von experimentellen Daten aus der Literatur und empirischen Korrelationen validiert. Anderseits wurden in-house Experimente, die mit Hilfe eines Phasen-Doppler Anemometers (PDA) die Tröpfchengrößenverteilung und Tröpfchengeschwindigkeiten bereitstellten, zur Validierung herangezogen. Die numerischen Ergebnisse zeigen hier sehr gute Übereinstimmung mit der experimentellen Daten, obwohl der Strahlzerfall selbst nicht durch das Rechengitter aufgelöst wird.

Abschließend wurde das hier vorgestellte Modell auf das Hochdruckformfüllen von flüssigem Aluminium angewendet. Die numerischen Ergebnisse geben hier Aufschluss über den Strahlzerfall während des Gießprozesses und dessen Einfluss auf die Oberflächenporosität des finalen Produktes.