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Modeling of Droplet Interactions

Yarlanki, Srinivas

German Title: Modellieren von Tröpfcheninteraktionen

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Abstract

Sprays in praktischen Anwendungen bestehen aus vielen Troepfchen. Das Verhalten eines Troepfchens haengt stark von den benachbarten Troepfchen ab, wenn der Abstand zwischen beiden in der Groessenordnung des Troepfchendurchmessers liegt. In Spray-Berechnungen wird die Interaktion zwischen Troepfchen waehrend Aufheizung, Verdampfung, Zuendung und Verbrennung normalerweise vernachlaessigt. Diese Annaeherung ist unzureichend, da benachbarte Troepfchen sowohl eine Energiesenke als auch eine Brennstoffquelle fuer das umgebende Gas darstellen. Numerische Untersuchungen von Troepfchenwechselwirkungen wurden bisher meist in einer zweidimensionalen axialsymmetrischen Konfiguration durchgefuehrt. Diese Konfiguration vernachlaessigt die Tatsache, dass hydrodynamische Wechselwirkungen meist dreidimensionaler Natur sind. Ausserdem haben numerische Untersuchungen in der Vergangenheit viele wichtige Eigenschaften wie die Abbremsung der Troepfchen sowie Zirkulationen innerhalb der Troepfchen vernachlaessigt. In einigen Faellen wurden grundlegende Details des numerischen Loesungverfahrens wie die Berechnung der korrekten Gleichungen fuer bewegte Gitter nicht beachtet. Es wurde eine numerische Methode entwickelt, um die Wechselwirkungen zwischen Troepfchen waehrend der Zuendung in drei Dimensionen zu untersuchen. Dabei wurden hydrodynamische Wechselwirkungen, Zirkulationen innerhalb der Troepfchen, Abbremsung durch das umgebende Gas, detaillierte Chemie, sowie weitere zuaestzliche Bedingungen des numerischen Loesungsverfahrens beruecksichtigt. Die Einzelheiten fuer die Beruecksichtigung der korrekten Gleichungen fuer bewegte Gitter wurden erlaeutert. Ein modifiziertes Mehrgitterverfahren wurde fuer die Berechnung der Verdampfung der Troepfchen angewandt. Nachdem sichergestellt wurde, dass das Programm die Interaktion zwischen Troepfchen zuverlaessig simuliert, wurden diese Effekte fuer ein einzelnes Ethanol-Troepfchen und fuer zwei gleich grosse Ethanol-Troepfchen in Tandem-Konfiguration durch numerische Simulation untersucht. Die berechnete Zuendverzoegerung fuer wechselwirkende Troepfchen stimmt gut mit den experimentellen Daten ueberein.

Translation of abstract (English)

Practical sprays are composed of many droplets and a typical droplet will be strongly influenced by the neighboring droplets when the average spacing between them is of the order of a few droplet diameters. In spray computations, typically the interaction of droplets during heating, vaporization, ignition, and combustion is neglected. This approximation is poor since neighboring droplets constitute an energy sink and a fuel source to the gas surrounding the droplets. Numerical studies of droplet interactions, so far, have been mostly carried out in two dimensional axisymmetric configuration which is hard to justify as hydrodynamic interactions are in general three dimensional. Moreover, numerical studies in the past often neglected many important features of the flow like gas phase deceleration, internal circulation in the droplets. In some cases even essential details of the numerical solution procedure like accounting for the correct equations on moving grids have been missing. A numerical method is developed and droplet interactions during ignition are studied in a three dimensional configuration accounting for hydrodynamic interactions, internal circulation inside the droplets, gas phase deceleration, detailed chemistry and correct equations on moving grids. The details of accounting for the correct equations on moving grids are discussed. A modified multigrid technique is applied to the droplet vaporization problem. After assessing the ability of the code to accurately simulate the interaction between droplets, interaction effects are studied by numerically simulating ignition of a single ethanol drop and of a pair of identical ethanol droplets in tandem configuration. The calculated ignition delay for the interacting droplets case agrees favorably with experiments.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Gutheil Prof. Dr., Eva
Date of thesis defense: 25 November 2005
Date Deposited: 02 Dec 2005 12:51
Date: 2005
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Strömungsmechanik
Uncontrolled Keywords: Moving Grids , Multigrids , Space Conservation Law
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