Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Experimente und validierte LES Modelle zur Berechnung des Wandwärmeübergangs für verschiedene Betriebsbedingungen von Ottomotoren

 

Ziel dieses Anschlussvorhabens ist, die Erkenntnisse und verbesserten Wandmodelle aus dem laufenden Vorhaben „Wandwärmeübertragungsprozesse im Ottomotor“ auf einen größeren motorischen Betriebsbereich zu erweitern. Dafür wurden in dem gemeinsamen Vorhaben der ETH Zürich und der TU Darmstadt die wandnahen Prozesse mittels laserdiagnostischer Methoden und Direkter Numerischer Simulationen (DNS) detailliert untersucht. Diese in der Detailtiefe bisher einmaligen Datensätze führten zu neuen Erkenntnissen, die in der Restlaufzeit des Projektes in elaborierte LES-Modelle überführt werden. Die DNS-Untersuchungen sind jedoch aufgrund der hohen Kosten auf Betriebspunkte mit niedriger Drehzahl und Last beschränkt. Nun sollen diese LES-Modelle für die Simulation realitätsnaher Drehzahlen und Lasten ertüchtigt werden. Dafür sollen an der TU Darmstadt detaillierte optische innermotorische Messungen für Volllast-Betriebspunkte bei Drehzahlen bis zu 2500 U/min durchgeführt werden, um die Übertragbarkeit der bisherigen Erkenntnisse zu überprüfen und die LES-Modelle zu validieren. Die LES soll dann dazu verwendet werden, die Untersuchungen auf weitere relevante Regionen im Brennraum, die für die Wandwärmeübertragung von Relevanz sind, zu erweitern.

Als potenzielle Nutzergruppe stehen zum einen KMU im Fokus, die CFD-Simulationssoftware für die Berechnung innermotorischer Prozesse anwenden und auch mit Submodellen gezielt erweitern. Die Erkenntnisse aus den kombinierten Experimenten und Simulationen dienen dazu, allgemeingültige Modelle und Best-Practice-Richtlinien für Simulationen der transienten Wandwärmeübertragung in realen Motorgeometrien unter realistischen Bedingungen abzuleiten. Zum anderen dienen die Experimente den KMU im Bereich der Messtechnik als Basis für die Weiterentwicklung von hochauflösenden Diagnostiken für innermotorische Multi-Parameter-Messungen.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Projekt wurden in einem Ottomotor sowohl Geschwindigkeits- als auch Temperaturgrenzschichten, mittels hoch auflösender laserdiagnostischer Methoden und der Direkten Numerischen Simulation (DNS), aufgelöst. In Fortführung des vorangegangenen Projektes wurde dies erstmalig bei höheren, praxisrelevanten Drehzahlen von 2500 U/min erreicht.

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 aufgezeigt, dass auch bei hohen Drehzahlen aktuelle Wandmodelle die in motorischen Simulationen Verwendung finden, nicht zutreffen. So findet sich für die untersuchten Betriebsbedingungen kein logarithmischer Bereich in den Grenzschichten und die Art der Abweichung von idealen Trends ist von Ort und Zeitpunkt im Zylinder und den Betriebsbedingungen abhängig. Diese Analysen und daraus abgeleitete Erkenntnisse können insbesondere von Simulationssoftwareentwicklern dazu genutzt werden neue verbesserte Modelle aufzustellen.

3) Anhand dieser Daten wurde die Gültigkeit von etablierten Modellen und eines neu entwickelten algebraischen Modells überprüft und die Auswirkungen auf die Wärmeübertragung aufgezeigt. Diese Bewertung hilft Anwendern von Simulationssoftware geeignete Modelle auszuwählen und den Workflow direkt zu optimieren.