Mehrphasenströmungen und Verbrennung

Tröpfchenverdampfung und -verbrennung

Die Kenntnis der Einzeltropfenverdampfung und -verbrennung sowie ihrer Wechselwirkung ist grundlegend für die Modellierung der Sprayverbrennung. Die Einzeltropfenverdampfung beinhaltet das Aufheizen der Tröpfchen, die mit einer Tröpfchenausdehnung einhergeht. Die Modellierung dieses Prozesses bedarf der Integration variabler Stoffeigenschaften. Die Verdampfung und Verbrennung beinhaltet die detaillierte Modellierung der umgebenden Gasströmung sowie der Prozesse an der Phasengrenze.

Abbildung 1 zeigt die Strömung um ein Tröpfchen. Es bilden sich Wirbel im Tröpfcheninnern als Folge der Umströmung des Tröpfchens aus. Die Separierung der Strömung im Nachlauf hat maßgeblichen Einfluss auf den Zündort, der in Abb. 2 für ein Methanoltröpfchen in einer Luftströmung bei 30 bar dargestellt ist. Hier verursacht die Strömungsseparierung die Zündung auf der Symmetrieachse und eine Verschiebung in radialer Richtung ist erkennbar. Für geringere Strömungsgeschwindigkeiten ohne Separierung findet die genannte Verschiebung des Zündorts nicht statt, vgl. Abb. 3.

Die Interaktion zweier Tröpfchen während der Zündung ist in Abb. 4 gezeigt. Für großen Tröpfchenabstand bildet sich jeweils eine Flammenhülle um die Tröpfchen und es entsteht die klassische Einzeltröpfchenverbrennung. Bei geringeren Abständen bildet sich eine Flamme, die beide Tröpfchen umschließt. In diesen Fällen finden sich zwei Zündpositionen: eine befindet sich im Nachlauf des ersten Tröpfchens wie bei der Einzeltropfenverbrennung und der zweite stromaufwärts des ersten Tröpfchens. Insgesamt ist erkennbar, dass sich die beiden Tröpfchen gegenseitig deutlich beeinflussen und weitere Forschung auf diesem Gebiet ist erforderlich, um Parameterstudien für komplexere Situationen durchführen zu können, die dann in reale Sprayverbrennungsmodelle Eingang finden.