Autor: Sebastian Ulrich Egger

Hohlkegeldüsen werden aufgrund des günstigen Betriebsverhaltens meist im Bereich des "aerodynamischen Zerwellens" betrieben. Die Modellierung dieses Zerfallsvorgangs erfolgt mittels mehrstufiger Zerstäubungsmodelle. Die bisher unbekannte Anfangsstörung der Flüssigkeitslamelle ist für den Zerfallsvorgang jedoch entscheidend und findet in bisherigen Auslegungsmethoden keine Berücksichtigung. Ziel ist es, aus der Düseninnenströmung eine Anfangsbedingung abzuleiten und somit die Entwicklung neuer Zerfallsmodelle zu ermöglichen. Der Zerfall der Flüssigkeit wird mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen im Gegenlichtverfahren an einem eigens hierfür konzipierten Versuchsstand charakterisiert. Die numerische Strömungssimulation erlaubt die Untersuchung der experimentell nicht zugänglichen dreidimensionalen, instationären und zweiphasigen Düseninnenströmung. Bindeglied zwischen Experiment und Simulation stellt die im Kontext der Zerstäubungstechnik neuartige Methodik der "Proper Orthogonal Decomposition" dar. Diese ermöglicht die Charakterisierung der für den Zerfall verantwortlichen Wellenbewegung der Flüssigkeitslamelle. Anhand der berechneten räumlichen Basisfunktionen lässt sich die Wellenlänge der Störung bestimmen. Die Spektralanalyse liefert die zugehörige dominierende Frequenz. In der Düse auftretende kohärente Strömungsstrukturen und deren zugehörige dominierende Frequenzen lassen sich in gleicher Weise mit dieser Methodik identifizieren. Experimente mit durchsichtigen Düsen aus Plexiglas ermöglichen einen zusätzlichen Abgleich zur numerischen Strömungssimulation. Die Ergebnisse aus Simulation und Experiment identifizieren die Instabilität des luftgefüllten Hohlkerns innerhalb der Düse als Initialstörung des Zerfalls. Durch diese Instabilität verformt sich der Hohlkern und verursacht eine Störstelle im Flüssigkeitsfilm, der die Düse verlässt. Die Störung schwingt sich über die Lauflänge der Lamelle auf und bewirkt den Zerfall. Dabei zeigt sich, dass mittels der verwendeten Methodik mehrere sich überlagernde Störungen der Lamelle und der Düseninnenströmung extrahiert werden können. Diese stehen in Wechselwirkung zueinander; vermutliche Resonanzeffekte erklären den unregelmäßigen Zerfall der Lamelle. Mit der bekannten Anfangsstörung kann nun in einem nächsten Schritt ein neues Zerstäubungsmodell formuliert werden.