%0 Generic
%A Ge, Hai-Wen
%D 2006
%F heidok:6478
%K turbulente Sprays , Monte-Carlo-Methode , PDF-Methode , Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion , Flamelet-Modellturbulent spray flow , Monte-Carlo method , PDF method , probability density function , flamelet model
%R 10.11588/heidok.00006478
%T Probability Density Function Modeling of Turbulent Non-reactive and Reactive Spray Flows
%U https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/6478/
%X Turbulente Sprays werden häufig im praktischen Verbrennungsystem angetroffen. Die Eigenschaften der turbulenten Sprays, wie Verteilung der Tröpfchengrößen und die Vermischung von Kraftstoff und Luft sind für die Effizienz, die Stabilität, und das Emissionsverhalten der Verbrennungprozesse sehr wichtig. Dies stellt ein sehr komplexes Problem dar. Die Prozesse Turbulenz, Wärme- und Stoffübertragung und Phasenänderung müssen dazu behandelt werden. Für reagierende Stömungen müssen chemische Reaktionen berücksichtigt werden. Diese Prozesse sind stark mit einander gekoppelt und viele Aspekte dieser Prozesse sind bislang unbekannt. In dieser Arbeit werden turbulente Sprays mit Hilfe einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF) dargestellt. Zwei Ansätze werden dabei verwendet, angenommene und transportierte PDF Methoden. Zunächst wird eine PDF für die Mischungsbrüche des turbulenten Sprays vorgeschlagen. Die PDF Transportgleichung wird dazu abgeleitet. Das molekulare Mischen wird mit einem erweitertem IEM Modell  behandelt. Die PDF Transportgleichung wird mit einem erweiterten k-e Modell geschlossen. Es wird durch eine hybride Finite-Volumen/Lagrange Monte-Carlo Methode gelöst. Ein turbulentes, nicht reagierenden Sprays wird damit simuliert. Die numerischen Resultate der PDF Methode sind in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten aus der Literatur und verbessern die des Momentenmodells. Außerdem werden die mittels der Monte-Carlo Methode berechneten Formen der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion des Mischungsbruchs in unterschiedlichen Positionen dargestellt und analysiert. Es ergibt sich, dass die Sprayquelle den Wert des mittleren Mischungsbruchs ändert, aber sie ändert nicht die Form seiner PDF. Ein Vergleich der Monte-Carlo PDF mit der Standard-Betafunktion zeigt, dass die Standard-Betafunktion die Form der PDF nicht beschreiben kann. Mit der Definition von geeigneten lokalen Maxima und Minima des Mischungsbruchs ist eine modifizierte Betafunktion mit vier Parametern sehr gut geeignet, die Form der Monte-Carlo PDF darzustellen. Weiterhin wird eine gebundene Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung zwischen Geschwindigkeit und skalaren Größen für turbulente Sprays vorgeschlagen. Die Transportgleichung hierfür wird abgeleitet und modelliert. Ein vereinfachtes Langevin-Modell wird erweitert, um die Gasgeschwindigkeit zu modellieren. Das molekulare Mischen wird mit dem erweiterten IEM-Modell beschrieben. Simulationen des turbulenten nicht-reaktiven Sprays zeigen, dass die numerischen Resultate für die Gasgeschwindigkeit durch dieses Modell verbessert  werden. Des Weiteren wird eine gebundene Enthalpie-Mischungsbruch-PDF für turbulente Sprayflammen vorgeschlagen. Die entsprechende Transportgleichung wird hergeleitet. Das molekulare Mischen wird mit dem modifizierten IEM-Modell beschrieben. Eine turbulente Methanol/Luft Sprayflamme wird simuliert. Der verwendete Methanol-Luft-Mechanismus  umfasst 23 Spezies und 168 Elementarreaktionen. Er wird durch ein Sprayflammen-Schichtenmodell integriert. Die numerischen Resultate für die Gasgeschwindigkeit, die Gastemperatur, den Massenbruch des Kraftstoffdampfs und den Sauterradius werden mit experimentellen Daten aus der Literatur und den Resultaten der Momentenmethode verglichen. Es ergibt sich eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Die verwendete Methode verbessert die Resultate des Momentenmodells in Bezug auf den Massenbruch des Methanoldampfes. Die angenommene PDF des Mischungsbruchs, die im Momentenmodell  verwendet wird, wird mit den berechneten-PDFs des Mischungsbruchs aus der transportierten PDF-Methode verglichen. Die Resultate zeigen, dass die letztere zuverlässiger ist. So sind die Zusammensetzung des Gemischs, die durch die verwendete PDF-Methode berechnet wird, genauer.  Die Anwendungen der angenommene PDF Methode in den turbulenten Sprays werden diskutiert. Die Normalverteilung, logarithmisch-normal-Verteilung, Nukiyama-Tanasawa-Verteilung, Rosin-Rammler-Verteilung, Standard-Beta-Verteilung, modifizierte Vierparameter Beta-Verteilung werden besprochen und analysiert. Die Verbindungen zwischen ihnen werden dargestellt. Eine turbulente Ethanols/Luft-Spray wird sowohl experimentell, als auch durch numerische Simulation untersucht. Ein herkömmliches Euler/Lagrange Modell wird verwendet. Der mittlere Sauterradius, die mittlere Tröpfchengeschwindigkeit sowie die Verteilung der Tröpfchengrößen werden gut vorausgesagt. Der detaillierte Reaktionsmechanismus wird in der Simulation der Sprayverbrennung durch ein Sprayflammen-Schichtenmodell behandelt, in dem 38 Spezies und 337 Elementarreaktionen betrachtet werden. Es ergibt gute Übereinstimmung zu den experimentellen Daten. Zusätzlich wird ein implizites Schema entworfen, um die Partikelgeschwindigkeit des Sprays zu berechnen. Ein numerischer Test zeigt, dass der implizite Schema robuster, genauer und leistungsfähiger ist als ein herkömmliches explizites Schema.