Ziel des Projekts ist die Modellierung des Zerstäubungsprozesses von reinen Flüssigkeiten und Flüssig-Fest-Suspensionen über weite Bereiche der Viskosität. Das finale Modell soll für unterschiedliche Düsengeometrien, Massenströme und Umgebungsdrücke gültig sein, im Sinne eines Virtual Spray Test Rig.

Die Zerstäubung von reinen Flüssigkeiten und Suspensionen mit unterschiedlichen Viskositäten ist in vielen verfahrenstechnischen Anwendungen von großer Bedeutung. Unsere Forschungsarbeiten zielen darauf ab, die Fähigkeiten der Volume-of-Fluid-Methode im Kontext der Large-Eddy-Simulation (VOF-LES) für die numerische Vorhersage der Zerstäubung zu untersuchen und zu erweitern. Während VOF-LES-Methoden den Primärzerfall zuverlässig vorhersagen können, sind sie bekanntermaßen sensitiv gegenüber der Auflösung und Qualität des numerischen Berechnungsgitters, was ihre Fähigkeit zur Vorhersage des Sekundärzerfalls und der resultierenden Tropfengrößenverteilung einschränkt. Aus diesem Grund werden in diesem Projekt Techniken zur dynamischen Gitterverfeinerung und Kopplungsmethoden für VOF-LES mit Euler-Lagrange-Modellen erforscht, um eine verbesserte Vorhersage des Zerstäubungsprozesses in einem Virtual Spray Test Rig (VSTR) zu ermöglichen. Unsere Forschung ist Teil des Helmholtz geförderten Forschungsprogramms MTET: Materialien und Technologien für die Energiewende und wird in enger Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe Flüssige Brennstoffe / Zerstäubung der Abteilung Vergasungstechnologie am Institut für Technische Chemie (ITC) durchgeführt. Das ITC stellt hochgenaue experimentelle Daten für die Entwicklung und Validierung des VSTR am EBI zur Verfügung.

Ein Vergleich zeigt Ergebnisse aus Experiment und Simulation [1,2] des Primärstrahlzerfalls eines hochviskosen Glycerin/Wasser-Gemisches (η_liq = 100 mPa^.s) bei erhöhtem Systemdruck (p = 6 bar). Es wird eine koaxiale Düse verwendet, bei der der Flüssigkeitsstrahl außerhalb der Düse durch eine schnelle Gasströmung zerstäubt wird. Die Düse wird mit einem Gas-Flüssigkeits-Verhältnis von GLR = 0,6 und einer Gasgeschwindigkeit von v_gas = 60 m^.s^-1 betrieben. Links: Video einer Hochgeschwindigkeitskamera, aufgenommen am Institut für Technische Chemie. Rechts: Visualisierung des entlang einer Sichtlinie integrierten Flüssigkeitsvolumenanteils aus VOF-LES-Vorhersagen am Engler-Bunte-Institut.

[1] S. Wachter, T. Jakobs, T. Kolb, Towards system pressure scaling of gas assisted coaxial burner nozzles – An empirical model, Applications in Energy and Combustion Science 5 (2021).
(https://doi.org/10.1016/j.jaecs.2020.100019)

[2] F. Zhang, T. Zirwes, T. Müller, S. Wachter, T. Jakobs, P. Habisreuther, N. Zarzalis, D. Trimis, T. Kolb, Effect of elevated pressure on air-assisted primary atomization of coaxial liquid jets: Basic research for entrained flow gasification, Renewable and Sustainable Energy Reviews 134 (2020).
(https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110411)