Zerstaubung
Corina Schwitzke ist Gruppenleiterin im Institut f\xfcr thermische Str\xf6mungsmaschinen (ITS) am KIT. Gudrun wollte gern ein Gespr\xe4ch \xfcber partikelbehaftete Str\xf6mungen mit ihr f\xfchren, denn dies ist ein wichtiges Thema in beiden Arbeitsgruppen. In Corinas Institut gilt das Interesse vor allem der Zerst\xe4ubung von Kerosin zu feinen Tr\xf6pfchen in Flugtriebwerken Seit 10 Jahren gibt es dort Str\xf6mungssimulation mit einer sogenannten Partikelmethode. Die Partikel in dieser Anwendung sind St\xfctzstellen der Rechenmethode und repr\xe4sentieren die Fl\xfcssigkeit, z.B. Kerosin, und das Gas, d.h. die verdichtete Luft. Vom Blickpunkt der Simulation aus sind die Partikel eigentlich nur Diskretisierungspunkte, die sich mit der Str\xf6mung mitbewegen. Sie repr\xe4sentieren dabei ein Volumen und die benutzten Koordinaten "schwimmen" mit dem Fluid, d.h. die Methode benutzt ein Lagrange-Koordinatensystem. Die Gleichungen, die der Simulation zugrunde liegen, sind die Navier-Stokes Gleichungen - zun\xe4chst isotherm. Falls die Temperatur\xe4nderung mitbetrachtet werden muss, dann erfolgt das durch das L\xf6sen der Energiegleichung, f\xfcr die die diskrete Fassung sehr einfach zu realisieren ist. Das f\xfcr den Zerst\xe4ubungsprozess gut geeignete numerische Verfahren, das am ITS umgesetzt wurde (und dort auch noch weiter entwickelt wird) ist Smoothed particle Hydrodynamics (SPH). Die Methode wurde zu Beginn der 1970er Jahre f\xfcr die Simulation von Galaxie-Entstehung entwickelt. Ein gro\xdfer Vorteil ist, dass das Verfahren sich extrem gut parallel implementieren l\xe4\xdft und die Simulation Gebiete ausspart, wo zun\xe4chst nichts passiert. Au\xdferdem ist es einfacher, die Physik des Tr\xf6pfchenzerfalls zu modellieren als mit den klassischen kontinuumsmechanischen Ans\xe4tzen. Der wichtigste Aspekt f\xfcr die Simulation der Kraftstoffzerst\xe4ubung ist die Oberfl\xe4chenspannung. Sie muss physikalisch und numerisch richtig beschrieben werden und f\xfchrt dann dazu dass ein Fl\xfcssigkeitsfilm in Tropfen zerf\xe4llt. Hier geht das Wissen um Oberfl\xe4chenspannungskoeffizienten ein, die aus Experimenten gewonnen werden ebenso wie die erwartbaren Kontaktwinkel an W\xe4nden. Das Kr\xe4ftegleichgewicht von angreifenden Scher- und Oberfl\xe4chenkr\xe4ften muss die modellierende Physik abbilden - die numerischen Partikel bekommen daraus direkt eine Geschwindigkeit zugewiesen, die auch ausdr\xfcckt, ob der Film rei\xdft oder zusammenh\xe4ngend bleibt. Diese Partikelmethode vermeidet die Probleme von gitterbasierten Verfahren beim Rei\xdfen des Films, denn Grenzfl\xe4chen werden automatisch mittransportiert. Durch die gut skalierende parallele Implementierung ist es m\xf6glich, mit einigen Milliarden Partikeln zu rechnen. Die Ergebnisse der Simulationen haben vielf\xe4ltige Anwendungen. Eine ist es Schadstoffemission zu minimieren. Das ist m\xf6glich durch erzwingen der vollst\xe4ndigen Verbrennung des Kraftstoffes oder durch die Vermeidung der Entstehung von Stick- und Schwefeloxiden im Prozess. Das kann durch die Kraftstoffverteilung und \xfcber die Temperaturniveaus gesteuert werden. (...)