Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Wandwärmeübertragungsprozesse bei ottomotorischer Verbrennung

Die Bedeutung numerischer Simulationen nimmt in der Motorenentwicklung kontinuierlich zu. Zur Einhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen Abgas- und Verbrauchsgrenzwerten durch ressourcenschonende Ottomoren werden akkuratere Modelle insbesondere der Wandwärmeflüsse benötigt. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist, ein besseres physikalisches Verständnis der Wärmeübertragungsprozesse von der Zylinderinnenströmung auf die Brennraumwände in Ottomotoren zu erarbeiten und daraus verbesserte Modelle für Simulationen innermotorischer Prozesse abzuleiten. Zur Analyse der wandnahen Prozesse und der Entwicklung der Wandtemperatur werden räumlich und zeitlich hochauflösende moderne Laserdiagnostiken mit einer Direkten Numerischen Simulation kombiniert. Die Strömungsgrenzschicht wird simultan mit der lokalen Wandtemperatur erfasst. Durch die simultane Charakterisierung der Wandtemperaturen und wandnahen Strömungsfelder kann die Wärmeübertragung im Detail untersucht werden. Die Erkenntnisse aus dieser Analyse werden dazu genutzt die Gültigkeit aktueller Wandmodelle zu überprüfen, Anforderungen an die Auflösung wandnaher Prozesse in Simulationen zu untersuchen und Flammenmodelle und die Modellierung der wandnahen Strömung zu verbessern. Die neu erarbeiteten Modelle werden den KMU, die stark im Bereich der Entwicklung, Lizensierung und Betreuung kommerzieller Simulationssoftware vertreten sind, zur Verfügung gestellt. Durch ausführliche Dokumentation und beratende Workshops werden interessierte Unternehmen darin unterstützt die erzielten Projektergebnisse zeitnah in CFD-Simulationscodes zu überführen. Das Erarbeiten von Best-Practice-Richtlinien für die Simulation garantieren darüber hinaus einen effizienten Transfer in die industrielle Anwendung.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Projekt wurden in einem Ottomotor erstmalig sowohl Geschwindigkeits- als auch Temperaturgrenzschichten, mittels hochauflösender laserdiagnostischer Methoden und der Direkten Numerischen Simulation (DNS), aufgelöst. Anhand dieser einmaligen Daten konnten die Wandwärmeübertragungsprozesse charakterisiert und der Einfluss der beteiligten innermotorischen Prozesse im Detail untersucht werden. Folgende Ergebnisse wurden erzielt:

1) Es wurde ein umfassender Datensatz aufgebaut der die Wandwärmeübertragungsprozesse im Ottomotor im Detail beschreibt. Dieser kann von Entwicklern von Simulationssoftware als auch deren Anwendern dazu genutzt werden verwendete Wandmodelle zu überprüfen und zu bewerten, neue verbesserte Wandmodelle abzuleiten, den Workflow zu bewerten und Best-Practice Richtlinien abzuleiten.

2) Die Analyse der Daten hat klar aufgezeigt das viele Annahmen aktueller Wandmodelle, die derzeit in motorischen Simulationen Verwendung finden, nicht zutreffen. Es konnte beispielsweise gezeigt werden, das für die untersuchten Betriebsbedingungen kein logarithmischer Bereich in den Geschwindigkeitsgrenzschichten existiert und daher Größen aus der äußeren Schicht besser für eine Skalierung geeignet sind. Diese Analysen und daraus abgeleiteten Erkenntnisse können insbesondere von Simulationssoftwareentwicklern dazu genutzt werden neue verbesserte Modelle aufzustellen.

3) Anhand dieser Daten wurden existierende Wandmodelle die in der motorischen Simulation Anwendung finden überprüft. Diese Bewertung hilft Anwendern von Simulationssoftware geeignete Modelle auszuwählen und den Workflow direkt zu optimieren.

4) Es wurden neue Modellansätze zur Beschreibung des Wandwärmestroms vorgeschlagen. (a) Ein analytischer physikalischer Ansatz der in existierende Simulationssoftware direkt übertragen werden kann und (b) ein datenbasiertes Modell das mit Hilfe von KI-Methoden aufgestellt wurde, wobei die Übertragbarkeit auf andere Bedingungen noch zu überprüfen ist.