Stochastische Euler-Euler-PDF-Methodik für das Zwei-Fluid-Modell und Anwendung auf kavitierende Strömungen der Automobilindustrie

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Anwendung der Stochastischen Feldmethode auf Zweiphasenströmungen. Die Stochastische Feldmethode und die zugehörige PDF-Transportgleichung wurden ursprünglich für den Bereich reaktiver Strömungen formuliert mit dem Ziel, nichtlineare Reaktionsterme zu schließen. Die Stochastische Feldmethode kann im Bereich von Zweiphasenströmungen für die Modellierung des Phasenübergangs genutzt werden. Die Formulierung der zugehörigen PDF-Transportgleichung unterscheidet sich von derjenigen für reaktive Strömungen. Da bisherige Anwendungen der Stochastischen Feldmethode auf Zweiphasenströmungen auf Analogiebeziehungen beruhen, erfolgt in der vorliegenden Arbeit eine ausführliche Diskussion beider Bereiche. ... mehrDie PDF-Transportgleichung für den Volumenanteil der dispersen Phase wird für das Zwei-Fluid-Modell und für das Drift-Flux-Modell hergeleitet. Die Relation der stochastischen Felder mit einer realen Strömung wird diskutiert und mit konkurrierenden Modellen verglichen. In diesem Zusammenhang wird erörtert, wie mit der Stochastischen Feldmethode die Blasengrößenverteilung einer realen Strömung berechnet werden kann. Mehrere Implementierungsmöglichkeiten der Stochastischen Feldmethode in die kommerzielle Software AVL FIRE™ werden diskutiert. Zwei Varianten zur Berücksichtigung stochastischer Fluktuationen im Quellterm der dispersen Phase aufgrund einer fluktuierenden Keimanzahl bzw. turbulenter Fluktuationen werden für das Zwei-Fluid-Modell implementiert. Sie werden anhand eines zweidimensionalen und eines dreidimensionalen Injektors aus der Automobilindustrie verifiziert und validiert. Es wird untersucht, ob mit der Variante der Stochastischen Feldmethode zur Berücksichtigung turbulenter Fluktuationen ein Mehrwert bei der Berechnung einer intermittierend kavitierenden Strömung erzielt werden kann. Das herkömmliche Zwei-Fluid-Modell im RANS-Kontext scheitert an einer Reproduktion der experimentell nachweisbaren Intermittenz. Aufwändigere LES-Berechnungen sind erforderlich, um den Einfluss lokaler Fluktuationen und damit die intermittierend kavitierende Strömung nachzubilden. Die implementierte Variante der Stochastischen Feldmethode ist in der Lage, die Intermittenz im RANS-Kontext qualitativ nachzubilden, ohne dabei die lokalen Effekte aufzulösen. Sie erlaubt die Bewertung der Strömung in einem RANS-Kontext und vermeidet aufwändigere LES-Berechnungen. In der industriellen Praxis werden hierdurch Entwicklungszeit sowie -kosten reduziert.

The present thesis focuses on the application of the stochastic field method to two-phase flow. The stochastic field method and the corresponding PDF transport equation were initially formulated for the field of reactive flows with the aim of closing non-linear reaction terms. The stochastic field method can be used in the field of two-phase flow to model the phase transition. The formulation of the corresponding PDF transport equation differs from that of reactive flows.
Since former applications of the stochastic field method to two phase flows are based on analogy relations, a detailed discussion of both fields is performed in the present thesis. ... mehrThe PDF transport equation for the volume fraction of the disperse phase is derived for the Two-Fluid Model and for the Drift-Flux Model. The relation between stochastic fields and a real flow is discussed and compared to competitive models. In this context, it is analysed how the bubble size distribution in a real flow can be computed with the stochastic field method. Several possibilities of implementation of the stochastic field method into the commercial software AVL FIRE™ are discussed. Two variants taking into account stochastic fluctuations in the source term of the disperse phase due to a fluctuating seed number or turbulent fluctuations are implemented for the Two-Fluid Model. They are validated and verified with a two-dimensional and a three-dimensional injector from the automotive industry. It is examined whether the variant of the stochastic field method taking into account turbulent fluctuations can achieve added value when computing an intermittent cavitating flow. The conventional Two-Fluid Model in a RANS context fails to reproduce the experimentally provable intermittency. More expensive LES computations are necessary to reproduce the influence of local fluctuations and the intermittent cavitating flow. The implemented variant of the stochastic field method is able to reproduce the intermittency in a RANS context qualitatively, without resolving the local effects.
It allows the evaluation of the flow in a RANS context avoiding more expensive LES computations.
As a result, both the development time and cost are reduced in the industrial practice.