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Unsere Produkte > Filtration und FSI CFD-Tools

DHCAE hat Tools für die gezielte Modellierung von Strahlzerfall und Sprayausbreitung entwickelt. Diese basieren auf der renommierten CFD-Toolbox OpenFOAM® und ermöglichen einen komfortablen und professionellen Einsatz von Open-Source-Lösertechnologie in einem industriellen Umfeld.

Initialer Zerfall -VoF mit adaptiven Gittern (AMR)

Bei Zerfallsvorgängen von Flüssigkeiten bilden sich von einem Injektor ausgehend erst Oberflächenwellen aus, aus  denen größere, weitgehend abgetrennte Flüssigkeitsbereiche (Ligamente) entstehen, die dann in kleinere Partikel zerfallen. Beim initialen Zerwellen und der Ligamentbildung in der Flüssigkeit muss diese Struktur im numerischen Gitter genau auflöst werden. Nur dadurch wird das entscheidende Wechselspiel von viskosen Kräften, sowie Oberflächen- und Trägheitskräften wiedergegeben. Dies geschieht besonders effizient mit der Volume of Fluid Methode (VoF) unter Verwendung eines adaptiven Gitterrefinements um die Flüssigkeitsbereiche.

Übergangsmodellierung VoF zu Euler-Lagrange (LPT)

DHCAE hat die Berechnungsmethoden von OpenFOAM umfangreich erweitert, um eine Umwandlung von zerfallenden Flüssigkeitsbereichen (VoF-Methode) in eine diskrete Partikelbeschreibung zu realisieren. Dies ermöglicht eine geschlossene Modellierung von

• Zerstäubungsprozessen (Ein- oder Zweistoffzerstäubung),
• Sprühvorgängen
• Injektionsanwendungen
• Allgemeinen Zerfallsvorgängen von Flüssigkeitsstrahlen in kleine Tropfen

Die Umsetzung zeichnet sich hierbei durch

• eine hohe Genauigkeit z.B. in Bezug auf die übertragenen Kräfte oder Erhaltungsgrößen,
• eine besonders recheneffiziente Realisierung für Gitterrefinement und Partikeltransport durch spezielle Partitionierungsverfahren und hohen Parallelisierungsgrad sowie
• stabile und zuverlässige Berechnungsverläufe mit umfangreichem Monitoring (z.B. Partikelgrößen, Sprühwinkel etc.) aus.

Realistische Vorhersage von Tropfeneigenschaften, Spraydichte und Sprühwinkel

Eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment wurden für verschiedene Benchmarks und industrielle Anwendungen erzielt.

Beispiele:

• Zweistoffzerstäubung: Flüssigkeitsstrahl im Querstrom
• Einstoffzerstäubung: Flüssigkeitsstrahl aus einer Lochdüse

Übergang von VoF-Bereichen (rot) zu Lagrangeschen Partikeln (grün) bei der Einstoffzerstäubung aus einer Dralldüse

Sprayausbreitung-Lagrangesche Betrachtung (LPT)

Haben sich dann viele kleine sphärische Tropfen gebildet, ist es meist rechentechnisch unmöglich, jeden Einzeltropfen durch mehrere Gitterzellen aufzulösen, um die Sprayausbreitung zu modellieren. Hierzu wurde ein Übergangsmodell von VoF zu Lagrangeschen Partikeln geschaffen, um den Gesamtvorgang vom Zerfall der Flüssigkeit bis zur Sprayausbreitung durchgehend zu modellieren.

Das Simulationstools wird bereits erfolgreich in industriellen Anwendungen eingesetzt, z. B.:

● AdBlue-Zerstäubung aus mehreren Düsen:

Einstoffzerstäubung aus Dralldüsen

●    Farbzerstäubung:

Zweistoffzerstäubung von scherverdünnenden Flüssigkeiten mit transsonischen Gasstrahlen

●    Autowaschanwendungen:

Einstoffzerstäubung von Wasser aus Flachstrahldüsen

●    Metallschmelzenzerstäubung für Metallpulver und Stahlkugeln

Zweistoffzerstäubung mit transsonischen Gasstrahlen und Erstarrung

Realistic prediction of spray angles, droplet sizes and spray density

Very good agreement was achieved between simulation and experiment e.g. in various benchmarks and industrial customer cases.

Examples:

• Twin fluid atomisation Liquid jet in cross flow

Single fluid atomisation: Liquid jet from a hole nozzle

Vergleich der Lamellenform und des Sprühwinkels: Flachstrahldüse für Autowaschanlagen

Adaptive Gitter und Partikelwolke im Flüssigkeitsstrahl im Querströmungs-Benchmark – bitte auf das Bild klicken

Flüssigmetallzerstäubung zur Pulverherstellung: Druck-Drallkonfiguration mit Hochgeschwindigkeitsgasstrahlen

Umfassende Sprühdiagnose:

Partikeldaten (z. B. Größe, Geschwindigkeit, Temperatur) und Sprühdichte können als Profile in verschiedenen Ebenen bestimmt werden.

Optionale Extras: Eine grafische Benutzeroberfläche mit vordefinierten Vorlagen für verschiedene Zerstäubungsanwendungen.

Flüssigmetallzerstäubung zur Pulverherstellung: Das Interaktion von Ligamenten und Hochgeschwindigkeitsgasstrahlen

Vergleichsdaten

Ablenkung des Strahls in der Animation (Vergleich mit min./max./mittleren experimentellen Daten)

Rechte Abbildungen:

Partikelgrößen bei 30d und 60d

Reference: Sekar J., et. al. “Liquid jet in cross flow modelling” In Proceedings of ASME turbo expo 2014: turbine technical conference, Düsseldorf, Germany; 2014.

Beispiel 2: Vergleich Simulation-Experiment:

Zerstäubung eines Flüssigkeitsstrahls aus einer Lochdüse

Tropfengrößen und -geschwindigkeiten, sowohl experimentell als auch numerisch, in einem Abstand von 25 mm.

Reference: Deux E. „Berechnung der turbulenten Zerstäubung von Flüssigkeiten durch Kombination eines Zweifluidmodells mit dem Euler-Lagrange-Ansatz“, Dissertation Halle-Wittenberg, 2006

Beispiel 1: Vergleich Simulation-Experiment:

Flüssigkeitsstrahl im Querstrom