Ein Verfahren zur Kopplung der Smoothed-Particle-Hydrodynamics- und der Finite-Volumen-Methode

Abstract

Beim Einsatz flüssigen Kraftstoffs in Gasturbinen sind der Verbrennung komplexe zweiphasige Strömungsprozesse vorgelagert. Hier ist insbesondere die Primärzerstäubung des Kraftstoffs zu nennen. Mit der Smoothed-Particle-Hydrodynamics(SPH)-Methode kann die Primärzerstäubung detailliert simuliert werden. Dieser Ansatz ist aufgrund seines hohen Berechnungsaufwands zurzeit jedoch auf kleine räumliche Bereiche begrenzt, wodurch die Kopplung mit den umgebenden Strömungsprozessen, die ohnehin effizienter und genauer mit der Finite-Volumen(FV)-Methode zu berechnen sind, eingeschränkt ist. Es ist daher erstrebenswert, detaillierte SPH-basierte Zerstäubungssimulationen in FV-Simulationen der umgebenden Strömung einzubetten. Dieser Forschungsbericht befasst sich mit der Entwicklung eines solchen hybriden Ansatzes zur direkten Kopplung von SPH- und FV-Rechengebieten. Der Ansatz wird hinsichtlich grundlegender numerischer Aspekte, wie der Massenerhaltung, sorgfältig beleuchtet und optimiert. Die Aufprägung von Rand- und Kopplungsbedingungen wird vereinheitlicht, wobei auch weitere Verbesserungen für Randbedingungen eingeführt werden. Durch geeignete Testfälle wird die Anwendbarkeit der Kopplungsschnittstelle auf brennkammertypische Strömungseigenschaften, wie Rezirkulation und signifikante Instationarität, demonstriert. Hierdurch werden somit wichtige Voraussetzungen zur Weiterentwicklung des Verfahrens für turbulente und mehrphasige Strömungen sowie technische Geometrien geschaffen.