Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Eine experimentell-numerische Benchmark Plattform für skalenauflösende Simulationen mit dem Fokus auf der Zündung und frühen Flammenausbreitung

 

Ziel des Projekts ist, eine experimentell-numerische Benchmark-Plattform zur Unterstützung der industriellen Nutzung skalenauflösender Simulationen zu erstellen, wobei der motorische Fokus der Untersuchungen auf der Zündung und frühen Flammenausbreitung liegt. Dafür werden die Prozesse im Zylinder mithilfe kombinierter hochauflösender optischer Messmethoden und Simulationen im Detail untersucht und analysiert. Die Benchmark-Plattform umfasst neben kombinierten experimentell-numerischen Daten auch eine umfassende Analyse zu Sensitivitäten und Wirkketten, die eine Bewertung von kommerziellen Simulationswerkzeugen und deren Qualifizierung für skalenauflösende Simulationen zur Beschreibung innermotorischer Prozesse ermöglicht.

Als potenzielle Nutzergruppe stehen neben den CFD-Codeherstellern die CFD-Anwender im Fokus. Zu dieser Gruppe gehören insbesondere KMU, die CFD-Simulationssoftware für die Berechnung innermotorischer Prozesse anwenden und auch mit Submodellen gezielt erweitern. Die Benchmark-Daten stehen diesen direkt zur Verfügung, um ihren Workflow zu evaluieren und zu optimieren, wodurch der aufwendige Prozess, das eigene Potenzial an OEM-spezifischen Benchmark-Fällen demonstrieren zu müssen, entfällt. Um die Benchmark-Plattform bereits während der Laufzeit nutzen zu können, werden neben den üblichen Maßnahmen spezielle Industrietransfer-Workshops angeboten. Ein wesentliches Ergebnis ist eine industrielle Implementierungsstrategie, die gemeinsam von Anwendern und Softwareanbietern getragen wird.

Dieses gemeinsame Verständnis und die Bereitschaft zur Zusammenarbeit von Softwareherstellern und -anwendern war ein wesentliches Ergebnis des mit FVV-Eigenmitteln finanzierten Projekts 1215 „LES in der Brennverfahrensentwicklung“. Ein wesentliches Ergebnis ist das große Interesse auf industrieller Seite für eine Benchmark-Plattform. Das hier beantragte Vorhaben soll genau diese hierfür notwendigen Datensätze und die darauf aufbauenden Analysen bereitstellen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurde ein umfangreicher experimentell-numerischer Benchmark-Datensatz in einem transparenten 4-Ventil-Motor mit Giebeldach-Geometrie und Direkteinspritzung erstellt und analysiert. Die Untersuchungen umfassten vier Betriebspunkte, bei denen verschiedene Einspritzstrategien und Zündzeitpunkte angewendet wurden. Experimentell wurden fortschrittliche Messmethoden wie Particle Image Velocimetry (PIV) zur Strömungsfeldmessung und Flammenvisualisierung, Mie-Streuung zur Charakterisierung des Sprays und Laserinduzierte Fluoreszenz (LiF) für die Gemischvisualisierung eingesetzt. Parallel dazu wurde ein Simulationsworkflow entwickelt und skalenaufgelöste Large-Eddy-Simulationen (LES) und Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Simulationen (RANS) der Betriebspunkte auf Basis der im Experimenten erfassten Randbedingungen.

Die Ergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation. Die Beobachtungen zeigten, dass die frühe Einspritzung einen erheblichen Einfluss auf die Zylinderinnenströmung hat und der Tumble von der Zündkerze weg in Richtung Abgasseite verschiebt. Die Untersuchungen offenbarten auch eine starke Abhängigkeit der Flammenausbreitung von lokalen Strömungsstrukturen. Generell breitet sich die Flamme bei allen Betriebspunkten in Richtung Einlass aus. Eine späte Einspritzung konnte die frühe Flammenausbreitung stabilisieren und damit die generell höheren zyklischen Schwankungen der spät gezündeten Betriebspunkte reduzieren.

Die Zusammenführung von experimentellen Daten und numerischen Simulationen zu einem Benchmark-Datensatz, stellt für Softwarehersteller eine wichtige Ressource für die Evaluierung/Validierung von Modellen und Simulationstools dar. Für CFD-Anwender bieten die Benchmark-Daten die Möglichkeit ihren Workflow zu evaluieren und zu optimieren.