In der vorliegenden Arbeit wird die Zerstubung von Flssigkeiten mittels Dsen untersucht. Dabei handelt es sich um einen Prozess, der sehr hufig in der Industrie und in allen Bereichen des tglichen Lebens auftritt. Auf Grund seiner Abhngigkeit von vielen Parametern und der schlechten optischen Zugnglichkeit des Dsennahbereichs, in dem sich wesentliche Zerfallsprozesse abspielen, sind experimentelle Untersuchungen nicht ausreichend, um ein gutes Verstndnis der ablaufenden Vorgnge zu erhalten. Deshalb werden in letzter Zeit verstrkt numerische Berechnungen eingesetzt, die es ermglichen, eine Vielzahl von Parametern in kurzer Zeit zu variieren und damit neue Erkenntnisse zu erlangen. Fr diese Berechnungen werden leistungsfhige Modelle bentigt. Ein solches Modell wird in dieser Arbeit entwickelt und fr verschiedene Anwendungsflle getestet. Die groe Zahl der in der Literatur vorhandenen Modellanstze wird analysiert und nach ihren Strken und Schwchen beurteilt. Anhand dieser Einschtzung werden zwei verschiedene Berechnungsmglichkeiten ausgewhlt: das Zweifluidmodell und der Euler-Lagrange-Ansatz. Ersteres liefert im Bereich des dichten Sprays nahe der Dse sehr gute Ergebnisse, whrend der letztere im verdnnten Sprhnebel optimal eingesetzt werden kann. Diese beiden Modelle werden kombiniert, um die Berechnung des gesamten Zerfallsgebiets ausgehend von der Dseninnenstrmung bis zum Bereich in groer Entfernung von der Dsenffnung durchfhren zu knnen. Die Dseninnenstrmung wird dabei als einphasige Strmung betrachtet, die mit der Eulerschen Betrachtungsweise berechnet werden kann. Die so erhaltenen Ergebnisse dienen als Eingabewerte fr das gekoppelte Modell. Fr die Kopplung sind verschiedene zustzliche Schritte notwendig. Neben der berprfung des Zerfallsregimes und der Definition der bergabegrenze ist vor allem die Vorhersage der Tropfengrenverteilung entscheidend. Um diese zu berechnen, wird das Modell von Hartmann [51] und Naue [74] ausgewhlt. Es hat gegenber anderen Anstzen den entscheidenden Vorteil, dass keine zustzlichen Annahmen getroffen werden mssen, sondern sich die Verteilungsfunktionen direkt aus den Eingangswerten bestimmen lassen. Dieses Modell wird fr die vorliegenden Gegebenheiten modifiziert und mit den fr die Kopplung notwendigen Routinen in das lehrstuhleigene zweidimensionale Berechnungsprogramm ELSA22 implementiert. Auerdem wird der Lagrangesche Teil dahingehend erweitert, dass die Berechnungen von Tropfenkollisionen und Koaleszenz nach zwei verschiedenen Anstzen mglich sind. Um neben Literaturdaten weitere Messwerte fr die Modellvalidierung zur Verfgung zu haben, wurden ein Versuchsstand aufgebaut und verschiedene einfache Druckdsen hergestellt. Diese Dsen werden bei verschiedenen Versuchsbedingungen betrieben. Mittels der Phasen-Doppler-Anemometrie werden die mittleren Tropfengren und -geschwindigkeiten an verschiedenen Punkten im Sprhnebel bestimmt. Des weiteren werden die Tropengrenverteilungen ermittelt. Die Ergebnisse der Teilmodelle werden anhand von Messwerten aus der Literatur und am eigenen Versuchsstand ermittelten Daten validiert. Das reine Zweifluidmodell hat Schwierigkeiten, die Ergebnisse von Karl et al. [60] fr die Flssigkeitsgeschwindigkeit wiederzugeben. Auerdem zeigt sich eine starke Abhngigkeit der Ergebnisse vom Tropfengrenparameter, der fr die Berechnung des Widerstandsfaktors bentigt wird. Bei der Berechnung mit dem reinen Euler-Lagrange-Ansatz stellt sich heraus, dass die Tropfenkollisionen und Koaleszenz unbedingt bercksichtigt werden mssen, um eine gute Nachrechnung der Messwerte zu ermglichen. Das besttigt hnliche Erfahrungen aus der Literatur (siehe z.B. [99]). Das Tropfengrenmodell wird sehr umfangreich untersucht. Fr drei verschiedene Dsenarten werden die berechneten Verteilungsfunktionen mit den experimentell erhaltenen Werten verglichen. Dabei zeigt sich, dass abhngig von der Dsenart unterschiedliche Kombinationen der theoretischen Spezialflle eine gute bereinstimmung mit den Messwerten liefern. Dieses besttigt die Erwartungen, da die verschiedenen Flle jeweils andere Zerfallsmechanismen reprsentieren. Fr Zweistoffdsen liefert die Kombination aus Fall I und Fall II mit Wichtungsfaktoren von 0,5 die besten Ergebnisse. Die Beschreibung von Einstoffdsen gelingt mit der Kombination aus Fall II und Fall III (Wichtungsfaktoren 0,3 und 0,7). Die Verteilungsfunktionen von Dralldsen lassen sich nur wiedergeben, wenn das Modell modifiziert wird. Diese Modifikation wird zur Zeit mit Hilfe eines zustzlichen Faktors durchgefhrt. Damit erweist sich die Kombination der Flle I und III mit Wichtungsfaktoren von 0,5 als die geeignetste. Den Abschluss bildet schlielich die Validierung des gekoppelten Verfahrens. Fr die Messwerte von Karl et al. [60] wird eine deutlich verbesserte Wiedergabe der Flssigkeitsgeschwindigkeiten erreicht. Die bereinstimmung fr die Gasgeschwindigkeiten ist ebenfalls gut. Die berechnete Tropfengre dagegen ist deutlich kleiner als die gemessene. Der Grund dafr liegt in der nicht ausreichenden Bercksichtigung der Koaleszenz. Obwohl diese bei der Berechnung beachtet wird, hat sie infolge der diskreten Partikelinjektion an der bergabegrenze kaum einen Einfluss auf die numerischen Ergebnisse. Fr die selbst gebauten Einstoffdsen liefert das gekoppelte Modell ebenfalls die beste Beschreibung der Geschwindigkeitsprofile, auch wenn hier grere Abweichungen vorliegen. Die Messwerte selbst sind jedoch auch nicht fehlerfrei. Die Tropfengre der Einstoffdsen wird mit dem gekoppelten Modell zu hoch vorhergesagt. Da bei den vorliegenden Betriebsbedingungen das Zerstubungsregime jedoch nur knapp erreicht wird, muss davon ausgegangen werden, dass noch recht groe Flssigkeitsfragmente vorliegen, die weiter zerfallen. Weil der Sekundrzerfall bis zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht im Berechnungsprogramm bercksichtigt ist, fhrt das zu den beobachteten Abweichungen. Generell ist die Brauchbarkeit des Modells jedoch erwiesen, da es in der Regel eine deutlich verbesserte bereinstimmung mit den Messergebnissen liefert als die unkombinierten Anstze.

In der vorliegenden Arbeit wird die Zerstäubung von Flüssigkeiten mittels Düsen untersucht. Dabei handelt es sich um einen Prozess, der sehr häufig in der Industrie und in allen Bereichen des täglichen Lebens auftritt. Auf Grund seiner Abhängigkeit von vielen Parametern und der schlechten optischen Zugänglichkeit des Düsennahbereichs, in dem sich wesentliche Zerfallsprozesse abspielen, sind experimentelle Untersuchungen nicht ausreichend, um ein gutes Verständnis der ablaufenden Vorgänge zu erhalten. Deshalb werden in letzter Zeit verstärkt numerische Berechnungen eingesetzt, die es ermöglichen, eine Vielzahl von Parametern in kurzer Zeit zu variieren und damit neue Erkenntnisse zu erlangen. Für diese Berechnungen werden leistungsfähige Modelle benötigt. Ein solches Modell wird in dieser Arbeit entwickelt und für verschiedene Anwendungsfälle getestet. Die große Zahl der in der Literatur vorhandenen Modellansätze wird analysiert und nach ihren Stärken und Schwächen beurteilt. Anhand dieser Einschätzung werden zwei verschiedene Berechnungsmöglichkeiten ausgewählt: das Zweifluidmodell und der Euler-Lagrange-Ansatz. Ersteres liefert im Bereich des dichten Sprays nahe der Düse sehr gute Ergebnisse, während der letztere im verdünnten Sprühnebel optimal eingesetzt werden kann. Diese beiden Modelle werden kombiniert, um die Berechnung des gesamten Zerfallsgebiets ausgehend von der Düseninnenströmung bis zum Bereich in großer Entfernung von der Düsenöffnung durchführen zu können. Die Düseninnenströmung wird dabei als einphasige Strömung betrachtet, die mit der Eulerschen Betrachtungsweise berechnet werden kann. Die so erhaltenen Ergebnisse dienen als Eingabewerte für das gekoppelte Modell. Für die Kopplung sind verschiedene zusätzliche Schritte notwendig. Neben der Überprüfung des Zerfallsregimes und der Definiti…