INAUGURAL–DISSERTATION zur Erlangung der Doktorwürde der ...

IV
DQMOM wird die Tropfengrößen- und Geschwindigkeitsverteilung des Sprays modelliert,
indem die Zahlendichtefunktion angenähert wird. Die Transportgleichungen der
DQMOM berücksichtigen Tropfenverdampfung, Aufheizung, Widerstand und Tropfen-
Tropfen-Interaktionen.
Zuerst wird ein verdampfendes Wasserspray in Stickstoff in eindimensionaler Konfiguration,
d.h. in axialer Richtung des Sprays, modelliert. Frühere Spraystudien vernachlässigten
Verdampfungseffekte oder berücksichtigten diese durch ein vereinfachtes
Modell. In dieser Arbeit wird die Tropfenverdampfung jedoch durch das Modell von
Abramzon und Sirignano beschrieben, während Tropfenbewegung und -koaleszenz mit
geeigneten Modellen abgeschätzt werden. Da die Vernachlässigung des Verdampfungsflusses
oder seine Berechnung durch Einschränkungen des Gewichtsverhältnisses sich
als unphysikalisch herausstellte, wurde der Fluss hier durch die Maximum-Entropie-
Methode berechnet. Die Gasphase ist noch nicht vollständig an die DQMOM gekoppelt,
stattdessen dienen die Gas-Einlaufbedingungen als Grundlage zur Berechnung
der Kräfte, die auf Tropfen und Verdampfung wirken. Die Resultate der Simulationen
werden mit der Quadratur-Momentenmethode (QMOM) und Experimenten an verschiedenen
Querschnitten verglichen. Die DQMOM zeigt bessere Ergebnisse als die
QMOM und auch erstaunliche Übereinstimmung mit dem Experiment.
Als nächstes wird das Wasserspray in umgebender Luft in zweidimensionaler, axialsymmetrischer
Konfiguration durch Erweiterung der eindimensionalen DQMOM modelliert.
Die DQMOM-Resultate werden mit denen des diskreten Tropfenmodells (DDM),
ein Euler – Lagrange Ansatz, verglichen. Tropfenkoaleszenz wird in der DQMOM
berücksichtigt, in der DDM aber vernachlässigt. Die Simulationsergebnisse werden
durch aktuelle experimentelle Daten validiert. Insgesamt zeigt die DQMOM deutlich
bessere Recheneffizienz, sogar unter Einschluss der Tropfenkoaleszenz.
Bevor die DQMOM auf PVP/Wasser-Sprays erweitert wird, wird ein Verdampfungsund
Trocknungsmodell für einen Einzeltropfen entwickelt, da die meisten der in der Literatur
bekannten Verdampfungsmodelle auf Salze, Kolloide oder Milchpulver angewendet
werden. Das Modell berücksichtigt die Partikelbildung in Zusammenhang mit der
Tropfenaufheizung und -verdampfung, und die Behandlung der flüssigen Mischung als
ideale Lösung wird durch Einschluss nicht-idealer Effekte verbessert. Die Ergebnisse
der Simulation dieses Modells werden mit aktuellen experimentellen Daten verglichen,
und es kann gezeigt werden, dass das entwickelte Modell die ersten drei Phasen der
Verdampfung und des Trocknens eines Zweikomponententropfen effektiv erfassen kann.
Schließlich wird ein PVP/Wasser-Spray in umgebender Luft mittels DQMOM simuliert
unter Anwendung des entwickelten Zweikomponentenverdampfungsmodells. Die
Ergebnisse werden mit aktuellen experimentellen Daten an mehreren Querschnitten
verglichen, und es konnte eine sehr gute Übereinstimmung festgestellt werden.