A front-tracking method is developed for the Direct Numerical Simulation (DNS) of droplet evaporation and combustion in a liquid-gas multiphase system. One field formulation is used to solve the flow, energy and species equations with suitable jump conditions. Both phases are assumed to be incompressible; however, the divergence-free velocity field condition is modified to account for the phase change at the interface. Both temperature and species gradient driven phase change processes/models are simulated in 2D planar configuration. For the species gradient driven phase change process, the Clausius-Clapeyron equilibrium relation is used to find the vapor mass fraction and subsequently the evaporation mass flux at the interface. Extensive validation studies are performed using the benchmark cases: The Stefan and the sucking interface problems, d2-law and the wet bulb temperature comparison with the psychrometric chart values. The models are then applied to simulate the evaporation of a single and two droplets systems that move, evaporate, interact and undergo significant deformation in a gravitational field. The implementations have been demonstrated to be grid convergent and the global mass conservation is satisfied for all the studied cases. The temperature gradient based phase change model is then incorporated into the axisymmetric multiphase solver and comprehensive validation studies are performed. This is then further extended to model the burning process following the evaporation as a first step towards the development of a computational framework for the direct numerical simulations of spray combustion. We used single step as well as reduced chemical kinetic mechanism, constant thermodynamic properties, unity Lewis number for all the species and an ideal gas behaviour for a n-heptane droplet combustion; the chemical kinetics being handled by the CHEMKIN. An operator-splitting approach is used to advance temperature and species mass fractions in time. The numerical results of the droplet burning rate, flame temperature, flame standoff ratio and ignition delay times show good agreement with the experimental and previous numerical studies.

Sıvı-gaz çok fazlı akışkan sisteminde sıvı damlacığın buharlaşması ve yanmasının doğrudan simülasyonu için yeni bir ara-yüz izleme yöntemi geliştirildi. Akış, enerji ve bileşenlerin kütle korunum denklemleri tek-alan formülasyonu ve uygun ara-yüz sınır koşulları kullanılarak çözüldü. Bu çalışmada hem sıvı hem de gaz fazlarının sıkıştırılamaz olduğu varsayıldı. Bununla birlikte faz değişimi olmayan sıkıştırılamaz akışlar için geçerli olan hız alanının divarjansının sıfır olması prensibi faz değişimini hesaba katmak amacıyla ara-yüzeyde modifiye edildi. Sıcaklık ve konsantrasyon gradyantı kaynaklı damlacık buharlaşması için sayısal yöntem geliştirildi ve simülasyonlar yapıldı. Konsantrasyon gradyantı nedeniyle oluşan faz değişiminde, ara-yüzeydeki buhar kütle akısının hesaplanmasında Clausius-Clapeyron denge kanunundan yararlanıldı. Sayısal yöntemin doğrulanması için çok sayıda test problemi kullanıldı. Bu amaçla Stefan ve emme ara-yüz problemleri, d2-kanunu ve ıslak termometre problemleri için hesaplamalar yapıldı ve sonuçlar analitik çözümlerle karşılaştırıldı. Sayısal yöntem daha sonra yerçekimi ile düşmekte olan ve bu esnada önemli ölçüde deformasyona uğrayan ve etkileşen tekil ve ikili damlacıkların buharlaşması problemlerine uygulandı. Sayısal yöntemin çözüm ağı yakınsamasının olduğu ve toplam kütlenin korunumu prensibinin sayısal çözüm seviyesinde sağlandığı gösterildi. Sıcaklık gradyantına dayalı faz değişimi modeli daha sonra aksi-simetrik problemlere uyarlandı ve çok sayıda doğrulama testi yapıldı. Buna ilave olarak, sayısal yöntem damlacık buharlaşmasını takip eden yanma prosesini de içerecek şekilde genelleştirildi. Bu sayede sprey yanmasının doğrudan simülasyonu için geliştirilmekte olan sayısal yönteme doğru ilk adım atılmış oldu. Kimyasal kinetik denklemlerin etkin çözümü için CHEMKIN paketi sayısal yönteme entegre edildi. Kimyasal kinetik denklemlerinin akış denklemleriyle birlikte çözülmesinde operatör-ayrıştırma yöntemi kullanıldı. Sayısal yöntem tek-adımlı çok basit bir kimyasal kinetik modeli yanında indirgenmiş detaylı kimyasal kinetik modeli de kullanılarak n-heptan damlacığının buharlaşması ve yanmasına başarıyla uygulandı. Elde edilen sonuçlar deneysel veriler ve literatürdeki önceki sayısal çalışmalarla karşılaştırıldı. Mevcut sonuçların damlacık yanma oranı, alev sıcaklığı, alev durma oranı ve tutuşma gecikme zamanı açısından deneysel veriler ve önceki sayısal çözümlerle uyumlu olduğu gösterildi.