Motivation and objectives

One of the challenging problems in computational physics is to devise an integrated simulation of multiscale and multiphysics phenomena commonly found in nature. One important example is the multiphase phenomenon typically encountered in gas-turbine engines or internal combustion engines. Combustion of liquid fuels involves various physical processes such as liquid film atomization into droplet, evaporation, and turbulent mixing with the ambient gas when the combustion occurs. The atomization of a liquid film or jet can be divided into two subsequent processes: i.e., primary atomization followed by secondary atomization. The primary atomization is the initial breakup of the liquid jet into large and small liquid structures close to the injection nozzle. It involves complex interface topology of large coherent liquid structures. The secondary atomization is the subsequent breakup into smaller drops forming sprays. As distinct physical processes are involved in each regime, different modeling strategies are needed. The objective in the present study is to apply an appropriate physical model that captures each flow regime and to integrate the resulting model into a computational simulation of the whole combustion process.The primary atomization is dominated by the interaction of the liquid film with the surrounding gas phase, giving rise to liquid surface instability waves. These interfacial instabilities are important in the overall spray evolution and droplet formation process.However, the dynamics of the phase interface is highly complex, poorly understood,and remains an unresolved problem in the area of atomization simulation. Atomizationsimulation is generally performed based on Lagrangian particle tracking and secondary breakup mechanisms, assuming that the typical size of the liquid drops is much smaller than the available grid resolution and that the shapes of the individual drops are similar to spheres or ellipsoids (Reitz 1987; Tanner 2004; Apte et al. 2003). Although these models can successfully predict secondary breakup, they are not applicable to the primary breakup regime because their underlying assumptions do not hold for the primary breakup regime where the length scale is an order of injector nozzle size.In the primary breakup regime, the liquid fluid interacts with the surrounding turbulent gas phase, which results in complex topological shapes of the interface. The large-scale coherent structures that interact with the gas phase will disintegrate into filaments and breakup into droplets. Thus, if we are to capture the physical process that occurs at the phase interface, it must first be identified and tracked. To this end, the level set method coupled to the Navier-Stokes equation is employed in the present study. In order to correctly capture the breakup phenomenon of phase interface, the smallest length scale of the phase interface should be larger than the grid size in the level set grid

انگیزه و اهداف

یکی از مسائل چالش برانگیز در فیزیک محاسباتی، ابداع یک شبیه سازی یکپارچه از پدیده های چندمقیاسی و چندفیزیکی است که معمولاً در طبیعت یافت می شود. یک مثال مهم، پدیده چندفازی است که نوعاً در موتورهای توربین گازی یا موتورهای احتراق درونی رخ می دهد. احتراق سوخت های مایع، شامل فرایندهای فیزیکی مختلفی مانند ریزسازی فیلم مایع به صورت قطره، تبخیر و مخلوط سازی متلاطم با گاز محیطی در زمان وقوع احتراق است. ریزسازی یک فیلم مایع یا جت مایع را می توان به دو فرایند ثانویه تقسیم کرد: یعنی ریز سازی اتمی اولیه و به دنبال آن، ریز سازی اتمی ثانویه. ریزسازی اتمی، شکست اولیه جت مایع در ساختارهای مایع بزرگ و کوچک نزدیک به نازل تزریق است. این ریزسازی، توپولوژی فصل مشترک پیچیده ساختارهای مایع همدوس بزرگ را ایجاد می کند. ریزسازی ثانویه، شکست ثانویه به صورت قطرات کوچکتر است که تشکیل اسپری می دهد. از آنجا که فرایندهای فیزیکی مجزا در هر رژیم رخ می دهند، استراتژی های مدلسازی متفاوتی مورد نیاز است. هدف مطالعه اخیر، اعمال یک مدل فیزیکی مناسب است که هر کدام از رژیم های جریان را ضبط کند و یکپارچه سازی مدل حاصل به یک شبیه سازی محاسباتی از کل فرایند احتراق است.

در ریزسازی اولیه، برهم کنش فیلم مایع با فاز گازی اطراف غالب است که امواج ناپایداری سطح مایع را حاصل می کند. این ناپایداری های فصل مشترک، در براورد کلی اسپری و فرایند تشکیل قطره اهمیت دارند. با این وجود، دینامیک فصل مشترک فازی، بسیار پیچیده است، درک ضعیفی از آن وجود دارد، و یک مسئله حل نشده در حوزه شبیه سازی ریزسازی است. شبیه سازی ریزسازی، عموماً بر اساس ردیابی ذره لاگرانژی و مکانیسم های شکست ثانویه انجام می شود، با فرض این که اندازه نوعی قطرات مایع بسیار کوچکتر از تفکیک شبکه موجود است و این که اشکال قطرات منفرد مشابه کره ها یا بیضوی ها هستند (ریتز 1987؛ تانر 2004؛ اپت و همکاران، 2003). اگر چه این مدل ها به صورت موفقیت آمیزی می توانند شکست ثانویه را پیش بینی کنند، آنها در رژیم شکست اولیه قابل کاربرد نیستند زیرا فرض های مربوط به آن، برای رژیم شکست اولیه که در آن، مقیاس طول از مرتبه اندازه نازل انژکتور است، برقرار نیستند...