English Title: Development of a Reynolds-Stress-Model for turbulent spray flames

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Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird ein Reynolds-Spannungs-Modell (RSM) zur Beschreibung turbulenter Sprayflammen entwickelt. Aus einem RSM für reine Gasphasen werden erweiterte Gleichungen unter Berücksichtigung von zusätzlichen Quelltermen durch die flüssige Phase hergeleitet. Fur die Gasphase werden die Erhaltungsgleichungen der Favre-gemittelten physikalischen Größen in einer Eulerschen Betrachtungsweise numerisch gelöst. Mit der Annahme eines dünnen Sprays wird die flüssige Phase durch eine endliche Anzahl von Tropfenpaketen beschrieben, die in der turbulenten Gasphase verdampfen. Die Trajektorien der Tropfen werden in einer Lagrange-Formulierung berechnet und ihre Wechselwirkung mit der Gasphase über statistische Methoden modelliert. Hierzu werden neue Modellierungsansätze formuliert. Die chemischen Reaktionen des Verbrennungsprozesses werden über das Flamelet-Modell für laminare Spraydiffusions-flammen erfasst. Hierbei liefern die Sprayflammenbibliotheken über statistische Verteilungsfunktionen des Mischungsbruchs und der skalaren Dissipationsrate die Gastemperatur und die Gemischzusammensetzung der Gasphase. Der Einfluss der Abhängigkeit der Spraybibliotheken von der Tropfengröße auf turbulente Sprayflammen wurde untersucht. Das neue RSM wurde durch Vergleiche mit Simulationen, die das k-epsilon-Modell verwenden, sowie Experimenten an einem reagierenden und nicht reagierenden Methanolspray verifiziert. Numerische Simulationen mit dem neuen RSM für Sprayflammen liefern im Vergleich zum k-epsilon-Modell zusätzlich die Varianzen und Korrelationen der Gasgeschwindigkeit und steigern die Qualität der Ergebnisse.

Translation of abstract (English)

This work presents the development of a Reynolds-Stress-Model (RSM) to describe turbulent spray flames. Based on a RSM for gas phases enhanced equations have been developed considering additional source terms for the liquid phase. Using an Eulerian formalism differential equations of the Favre-averaged physical quantities for the gas phase are solved numerically. On the assumption of thin spray, the liquid phase can be described by a number of droplet packages, evaporating in the turbulent gas. Their trajectories can be described by a Lagrangian formalism. Their interaction with the gas phase is modelled by statistical methods. Herefore new ways of modelling the terms of interaction have been invented. The chemical reactions are considered using the flamelet-model for laminar diffusion flames. With the help of statistical probability distribution functions of the mixture fraction and the scalar dissipation rate, the gas temperature and the species mass fractions of the turbulent gas phase can be received out of the laminar spray flame libraries. The effect of the dependance of the spray flame libraries from the droplet size to the turbulent spray flames has been investigated. The new RSM has been verified by comparison to numerical simulations based on the k-epsilon-model, as well as to experiments of a reacting and a non-reacting methanol spray. Numerical simulations using the new RSM for turbulent spray flames instead of the k-epsilon-model deliver additional information about the variances and correlations of the gas velocity and improve the quality of the results.