Zuverlässige und effiziente Strömungslöser sind während des Design- und Gestaltungsprozesses vieler Anwendungen im Ingenieurbereich von großer Bedeutung. Die Kosten für die Durchführung experimenteller Untersuchungen sind deutlich höher im Vergleich zu den Kosten numerischer Simulationen. Der DLR hauseigene Strömungslöser TAU bietet solch eine numerische Plattform. In der Industrie ist TAU stark verbreitet. Der Strömungslöser wird sowohl für die Simulation von subsonischen als auch von Hyperschall Strömungen eingesetzt. Es werden jedoch nicht nur Außenumströmungen von Luft- und Raumfahrtzeugen simuliert, sondern auch Strömungen, wie sie in Düsen, Stoßrohren, Windkanälen und Brennkammern vorliegen. Allerdings können mit dem vorliegenden Strömungslöser keine Zwei-Phasen Strömungen, wie sie in Treibstofftanks von kryogenen Oberstufen auftreten, berechnet werden. Das Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer Modellierung für die numerische Behandlung von Zwei-Phasen mit großen Dichteunterschieden und deren Implementierung in das inkompressible Modul von TAU (THETA). Die Zwei-Phasen Formulierung soll vorhandene Funktionalitäten des Strömungslösers nicht einschränken. Die identifizierten Modelle müssen in Kombination mit der vorhandenen dualen Netz Methode und der impliziten finite Volumen Formulierung im inkompressiblen Modul von TAU anwendbar sein. In diesem Modul werden die inkompressiblen Navier-Stokes Gleichungen in einer variablen Dichte Formulierung mit Hilfe einer Projektionsmethode gelöst. Als Basis ist das volume-of-fluid (VOF) Verfahren gewählt, welches den Volumenanteil beider Fluide in der Zelle angibt und somit auch einen Rückschluss auf Trennflächenzellen ermöglicht. Da die Information über die exakte Zellgeometrie im dualen Netz nicht vorhanden ist, muss die Berechnung der Fluidanteile analytisch erfolgen. Darüber hinaus wird bei der dualen Netz Methode nicht zwischen strukturierten und unstrukturierten Netzen unterschieden. Deswegen wurde für die Berechnung des konvektiven, skalaren Transports der Fluidanteile die CICSAM-Methode (Compressive Interface Capturing Scheme for Arbitrary Meshes) ausgewählt, eine Rekonstruktionsmethode für die Simulation von Trennflächen auf beliebigen Netzen. Um den Einfluss der Oberflächenspannung und die daraus resultierenden Effekte miteinzubeziehen, ist ein kontinuierliches Oberflächenspannungsmodell eingebaut. Vor der Berechnung der Oberflächenspannungskraft werden die VOF-Werte mit Hilfe eines gewichteten Laplace-Glatters geglättet, auf deren Basis die Krümmung der Oberfläche berechnet wird Um eine Wandadhasion des Fluids zu simulieren, wird bei der Krümmungsberechnung an den Randern ein statischer Randwinkel mit einbezogen.

    Reliable and efficient computational fluid dynamic (CFD) solvers are of great importance in the design process of many engineering applications. Experimental test runs are generally disproportionally more expensive. Especially for cryogenic liquids, real tests are demanding, very costly and therefore quite limited. Numerical simulations shall support and guide the mission planers and researchers in their decisions to obtain an optimised layout and an idea how the fluid dynamics and flow processes in prior tests and during the mission look like. The DLR in-house CFD code TAU offers such a numerical platform. The utilisation range from the computation of outer aerodynamics of air and space vehicles to the computation of nozzles, shock tubes, wind tunnel flows and combustion chambers. However, a missing piece is the ability to simulate two-phase flows as they occur in propellant tanks of cryogenic upper stages. The present work is conducted at the Spacecraft Department of the DLR Institute of Aerodynamics and Flow Technology in Göttingen and is embedded in the German Research Cooperation Upper Stage. This cooperation is lead by DLR and was initiated to coordinate and perform research on advanced cryogenic upper stage technologies for the Ariane 5. The target of this study is the development of a two-phase flow methodology which enables the incompressible module of the TAU (THETA) code to simulate dynamics of two-phase flows with high density ratios without losing any of the aforementioned abilities. The work conducted in the course of this thesis is initiated with an identification of suitable models and methods which are compatible with the given dual grid, implicit finite-volume infrastructure in the incompressible module of TAU. Furthermore, this module solves the incompressible Navier-Stokes Equations with a projection method in a variable-density formulation. The volume-of-fluid (VOF) method is chosen as the basic structure. The VOF - method indicates the volume fractions of both fluids in every cell and thus clearly identifies the interfacial region and cells where only one fluid is present. The transport of the volume fractions is done analytically since the exact cell and face geometry in the dual grid method is unknown. Further, the dual grid method follows a collocated grid point formulation without a specific treatment for either structured or unstructured grids. Therefore, only methods and schemes which are applicable on arbitrary, three-dimensional mesh geometries can be considered. In that sense, the compressive interface capturing scheme for arbitrary meshes (CICSAM) is chosen to predict the face values for the scalar convection equation with considering physical bounds of zero and unity. Furthermore, the simulation of surface tension is taken into account through a continuous surface force method. Prior to the evaluation of the surface tension the VOF values are smoothed with a Laplacian-type smoother which performs a weighting with respect to the cell size. The interface curvature is computed with the smoothed VOF values. Wall adhesion effects are incorporated through manipulating the computation of the curvature at wall boundaries. The curvature is dependent on a pre-defined static contact angle at the wall. A particular challenge is the adaptation of the projection method to be compliant with the simulation of high density ratio two-phase flows.


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    Titel :

    Simulation of the sloshing behaviour of two-phase flows in cryogenic rocket upper stages


    Weitere Titelangaben:

    Simulation des Schwappverhaltens von Zweiphasenströmungen in kryogenen Raketenoberstufen


    Beteiligte:
    Gauer, Markus (Autor:in)


    Erscheinungsdatum :

    2013


    Format / Umfang :

    149 Seiten, 89 Bilder, 6 Tabellen, 123 Quellen



    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Englisch