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Für die Zerstäubung gilt generell, dass eine höhere Viskosität zu größeren Tropfen führt. Die Viskosität ist außerdem von der Temperatur abhängig. Sie fällt mit steigender Temperatur. Die letzte wichtige Eigenschaft ist die Oberflächenspannung. Die Zerstäubung von Brennstoffen mit höheren Oberflächenspannungen führt zu größeren Tropfendurchmessern. Die Ursache liegt darin, dass eine hohe Oberflächenspannung die Stabilität der Tropfen verbessert. Die Oberflächenspannung σ A wird als Quotient aus der Änderung der Oberflächen- energie A E ∂ zur Änderung der Oberfläche ∂ A, beschrieben:26 δ ∂E A A = ⇒ ∂AT kg δ AK ≈ 0,026 Gl. 2.2.5 2 s Sie steht repräsentierend für die Summe der Kräfte, die an einem Tropfen angreifen müssen, um dessen Oberfläche zu ändern. Auch die Oberflächenspannung ist temperaturabhängig und sinkt mit steigender Temperatur. Eine Temperatursenkung führt somit zu kleineren Tropfen und einer schnelleren Verdampfung. Freie Tropfen haben eine kugelartige Gestalt, da für diese Form die kleinsten Oberflächenenergien benötigt werden. Die Luft wird in der Simulation als ideales Gas angesehen. Solche Gase zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus: • Sie gehorchen der idealen Gasgleichung. • Sie können in keinen anderen Phasenzustand überführt werden. • Das Eigenvolumen der Gasatome kann vernachlässigt werden. Die vorherrschende Strömung im Rechengebiet ist turbulent. Turbulente Strömungen sind lokal instationär, was zu örtlich und zeitlichen Änderungen ihrer physikalischen Eigenschaften führt. Zudem sind solche Strömungen dreidimensional, so dass sich Turbulenzballen bilden. Die turbulente Diffusion, also die Mischbewegung durch Turbulenz, verursacht Reibungswiderstände und führt zu einem erhöhten Impulsaustausch. Das hat Auswirkung auf das Mischverhalten von Brennstoff und Luft, welches bei turbulenter Strömung so wesentlich besser erfolgt. Die wichtigsten Größen für die Beschreibung der Turbulenz sind die Intensität und die Struktur. Beide werden über Zweigleichungsmodelle mittels Transportgleichungen beschrieben, welche später im Kapitel 3.1.4 angegeben werden. 27 26 Vgl. Bayvel L.,1993, S.25 ff. 27 Vgl. Rung T., 2002, S.154. 16
2.3 Der Freistrahlzerfall Der Freistrahlzerfall wird in einen primären und sekundären Prozess unterteilt. Im primären Prozess findet die Aufspaltung des Freistrahls in Tropfen statt, wohingegen der sekundäre Prozess das Aufbrechen der entstandenen Tropfen beschreibt. Der primäre Zerfall wird durch drei Mechanismen verursacht: 28 • Turbulenz des austretenden Fluides • Implosion von Kavitionsblasen • Aerodynamische Kräfte am Freistrahl Abbildung 11: Bereiche des Eintretens des primären Freistrahlzerfalls [Stiesch G.; 2003; S.133] 17 Beim realen Freistrahlzerfall treten diese Mechanismen meist vereint auf. Einen großen Einfluss auf die Zerfallsgestalt des primären Freistrahlzerfalls haben die Ausströmgeschwindigkeit des Brennstoffes S C und die Reynoldszahl Re. Eine Klassifizierung ist mit Hilfe der Strahlzerfallslänge L c und dem Tropfendurchmesser D T mög- lich. Reitz hat eine Unterteilung des primären Freistrahlzerfalls in vier Bereiche vorgeschlagen. Die durch Steigerung der Ausströmgeschwindigkeit C S durchlaufen werden:29 1. der Rayleigh Bereich 2. der erste windinduzierte Bereich 3. der zweite windinduzierte Bereich 4. der Zerstäubungsbereich Mit Hilfe der dimensionslosen Parameter Weberzahl We, Reynoldszahl Re, Ohnesorgezahl Z und der Abbildung 11 kann die entsprechende Zerfallsgestalt gefunden werden. 2 ρK ⋅CS ⋅DS We = Gl. 2.3.1 δ 28 Vgl. Stiesch G., 2003, S.131 ff. 29 Vgl. Wozniak Günter, 2002, S.35. A
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