Zur Simulation der Zerstäubung flüssigen Kraftstoffs mit der Smoothed Particle Hydrodynamics Methode

Eine wichtige Zielstellung bei der Entwicklung moderner Flugtriebwerke ist die weitere Steigerung der Effizienz bei gleichzeitiger Reduktion von Schadstoffemissionen und Lärm. Hierfür müssen neue und innovative Brennkammerkonzepte entwickelt und validiert werden, da die Art der Verbrennungsführung und die Positionierung der Flamme in der Brennkammer die Emissionscharakteristiken entscheidend bestimmt. Die Verbrennungsführung wiederum wird maßgeblich durch die Zerstäubung des flüssigen Kraftstoffs beeinflusst. Bisher war jedoch der Vorgang der Primärzerstäubung des Brennstoffes einer vollständigen numerischen Beschreibung nicht zugänglich. Die große Spanne unterschiedlicher Längenskalen der Gas- und Flüssigphase während des Zerfallsprozesses bedingt einen immensen numerischen Aufwand, der durch die Notwendigkeit der physikalisch exakten Beschreibung der Grenzfläche zwischen den beiden Phasen und den dort vorherrschenden Phänomenen und Prozessen noch zusätzlich erhöht wird.

Im vorliegenden Forschungsbericht wendet der Autor die relativ junge numerische Methode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) erstmals für die Berechnung des Primärzerfalls von Brennstoff in luftgestützten Zerstäuberdüsen an. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Steigerung der numerischen Leistungsfähigkeit der SPH Methode im Vergleich zu klassischen gitterbasierten Verfahren. Weiterhin wird auf Aspekte der Implementierung eingegangen, welche den erfolgreichen Einsatz der Methode auf modernen Hochleistungsrechnern ermöglichen. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Validierung des Verfahrens mit Hilfe von am Institut für Thermische Strömungsmaschinen vorhandenen detaillierten Messergebnissen einer generischen planaren Zerstäuberdüse. Sowohl die Validierungsergebnisse als auch die numerische Leistungsfähigkeit unterstreichen das hohe Potential von SPH zur numerischen Berechnung komplexer Mehrphasenströmungen mit starker Phasenwechselwirkung