Parallel direct numerical simulation of 3D interface-resolved droplet evaporation

Abstract

Multi-phase flows and phase transitions are widely observed phenomena in natu- ral processes and engineering applications such as atmospheric precipitation, bubbles forming during water boiling, and spray combustion. To study the physics of such phenomena and to broaden their application areas, simulations of multiphase flows with phase change are crucial. Therefore, in this thesis, a parallel front-tracking/finite-difference method is developed for interface-resolved fully 3D simulations of droplet evaporation. In this method, the mass, momentum, and energy conservation equations are solved on a 3D-Cartesian, uniform, fixed, staggered Eulerian grid while a Lagrangian grid is employed to track the interface between the liquid and vapor phases. The method is first validated for the classical d2-law. Then the method is applied to simulate the evaporation of a 3D Leidenfrost droplet.

Çoklu fazlı akışlar ve faz geçişleri dünya genelinde yaygın olarak gözlemlenen olaylardır; bunlardan bazıları şunlardır: atmosferik yağış, su kaynadığında oluşan baloncuklar, sprey yanması. Dolayısıyla bu fiziksel olayların incelenmesi ve uygulama alanlarını genişletmek amacıyla çok fazlı akışların ve faz değişikliklerinin simülasyonu önemli bir araştırma konusu haline gelmiştir. Bu doğrultuda, üç boyutlu iki fazlı sistem simülasyonları için bir paralel arayüz izleme/sonlu fark yöntemi, enerji için korunma denklemlerini tanıtarak ve sıcaklık gradyanı tarafından sürülen bir faz değişimi modelini tutarlı bir şekilde iki tür çözüm ağı kullanılarak geliştirilmiştir. Yöntemin sonlu fark bileşeni, üç boyutlu Kartezyen, tekdüze, sabit, sıralı Euleryen çözüm ağında bir skalar sıcaklık alanını evrimleştirmektedir. Aynı zamanda, arayüz izleme bileşeni, ısıl ve kütle transferine bağlı olarak fazlar arasındaki değişikliklere cevap vererek, üç boyutlu tekdüze ve sabit olmayan Lagrangyan çözüm ağındaki arayüzü dinamik bir şekilde çözmektedir. Sıcaklık alanının evrimi ve damlacık buharlaşması için uygulanan sayısal yöntemler, çözüm ağı uyum çalışmaları ile ısıl denklemin analitik çözümüne ve teorik d2-yasasına karşı etkili doğrulama süreçlerinden geçmiştir. Geliştirilmiş sayısal yöntem, üç boyutlu Leidenfrost damlacığının buharlaşması problemine başarıyla uygulanmıştır. Bu da çeşitli iki fazlı akışların faz geçişini içeren simülasyonların gerçekleştirilmesine olanak tanımaktadır.