Multiphase flows play an important role in many technical applications, for example in the areas of sensor technology and process engineering. Indeed, for certain two-phase flows an extensive knowledge of the dynamic behavior of liquid droplets in gas flows is essential in order to ensure the correct functionality of the fundamental processes. In general, flow conditions, interface properties as well as the wetting behavior determine the dynamics of a droplet. The complexity of the examined problem increases, if obstacle geometries, superpositions of external forces or various fluid properties are considered. Such complex flow processes can be efficiently examined in detail by means of the numerical flow simulation.
In the present work, the results of a numerical investigation concerning the droplet behavior due to external forces and interactions with a wall-mounted obstacle are presented. Thereby, a wide range of droplet properties, two different surfaces, external effects such as the gravitation, the gas flow, vibrational excitations or superpositions of various forces as well as differe obstacle heights are considered.
First, an already existent numerical implementation of the contact angle hysteresis was further developed with regard to its universal applicability. The optimized numerical method was then validated on the basis of available experimental results and allowed to gain new insights into the dynamic behavior of droplets. Considering the droplet deformation and breakup due to the interaction with a wall-bounded obstacle with a rectangular cross-section, an empirical dimensionless representation was derived, which allows the categorization and prediction of the occurring droplet phenomena as a function of the process parameters.
Aktualisiert: 2023-02-03
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Der Einsatz von Abgasturboladern ist in modernen Motorkonzepten unerlässlich, um hohe Wirkungsgrade, niedrigen Kraftstoffverbrauch und geringe Emissionen zu realisieren. Die sehr hohen Drehzahlen, großen Verdichtungsverhältnisse und dynamischen Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge sorgen jedoch sowohl für tonale als auch breitbandige Schallabstrahlung. Aufgrund des engen Bauraums ist die Anströmung der Laufräder häufig von Umlenkungen und Querschnittssprüngen geprägt. Sie weist somit starke Sekundärströmungen auf. Daher ist es Ziel dieser Arbeit, den Einfluss der verdichter- und turbinenseitigen Anströmung der Laufräder auf die Schallabstrahlung des Abgasturboladers systematisch zu untersuchen.
Turbinenseitige Druckpulsationen, wie sie aufgrund der Ventilhübe im Motor entstehen, beeinflussen die Schallabstrahlung nur geringfügig im niederfrequenten Bereich und können daher vernachlässigt werden.
Eine Strömungsumlenkung vor dem Verdichter führt hingegen in nahezu allen Betriebspunkten des Laufrads zu einer deutlichen Erhöhung der breitbandigen Schallabstrahlung. Hierfür ist die nach der Umlenkung auftretende Sekundärströmung verantwortlich. Sie weist zwei gegenläufig exzentrisch rotierende Wirbel mit hohen Gleich- und Gegendrallanteilen an den äußeren Radien der Rohrströmung auf. Gegendrall erhöht den hochfrequenten Breitbandanteil ab 4 kHz in nahezu allen Betriebspunkten.
Homogene Verdichteranströmungen führen hingegen zu geringeren Strömungsablösungen und somit niedrigerer breitbandiger Schallabstrahlung. Der Einbau geeigneter Gleichrichter in die Anströmung des Verdichters wirkt sich demnach positiv auf die Geräuschreduzierung des Turboladers aus. Sind die Gleichrichter zudem für einen niedrigen Druckverlust ausgelegt, sinkt der Wirkungsgrad nur geringfügig. Daher stellen Vorleiteinrichtungen, die die Sekundärströmung in der Ansaugung des Verdichters reduzieren, eine vielversprechende Möglichkeit dar, die Schallabstrahlung des Abgasturboladers im Pkw zu reduzieren.
Aktualisiert: 2020-09-10
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