Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Modellierung der Transportmechanismen in der nahen

Umgebung von verdunstenden Kraftstofftropfen

Die numerische Simulation innermotorischer Prozesse gewinnt aufgrund verkürzter Entwicklungszyklen und steigendem Kostendruck an Bedeutung. Speziell die Simulation der Gemischbildung ist als Ausgangspunkt weiterführender Analysen der Verbrennung und der Emissionsbildung besonders wichtig. Im Gemischbildungsprozess direkteinspritzender Ottomotoren spielen die Verdunstungsphänomene des Kraftstoffsprays eine zentrale Rolle. Ihre exakte Modellierung ist maßgeblich für die Aussagefähigkeit innermotorischer CFD Simulationen verantwortlich.

Die bei der Verdunstung auftretenden Transportmechanismen in tropfennaher Umgebung werden im Allgemeinen durch Modelle beschrieben, welche auf der Filmtheorie basieren. Diese weisen eine starke Abhängigkeit von der gewählten Gitterauflösung auf und sind nicht in der Lage die Interaktion benachbarter Tropfen zu berücksichtigen.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens werden zunächst Simulationen eines DI-Ottomotors unter Verwendung von RANS und LES Modellen durchgeführt. Diese Gesamtsimulationen basieren auf der Lagrange‘schen Formulierung der dispersen Phase und sollen mittels einer Parameterstudie die methodischen Schwachstellen der Verdunstungsmodelle quantifizieren und die maßgeblichen Einflussgrößen identifizieren. Um die physikalischen Phänomene der Tropfenverdunstung und -interaktion detailliert beschreiben zu können, werden zahlreiche DNS Berechnungen für diese Einflussgrößen durchgeführt. Darauf basierend soll ein gitterunabhängiges Subskalenmodell für den Verdunstungsprozess entwickelt werden, welches die Genauigkeit und Aussagefähigkeit innermotorischer Simulationen erhöht.

Das neue Modell wird den am Projekt beteiligten Softwareherstellern zur Implementierung zur Verfügung gestellt, wobei die Forschungseinrichtungen beratend zur Seite stehen. Mit Hilfe des neuen Modells können KMU genauere Simulationsergebnisse erzielen. Dieses Vorgehen liefert Simulationsdienstleistern und Softwareherstellern einen immensen Wettbewerbsvorteil.

Ergebniszusammenfassung:

Das im Rahmen von Lagrange’schen Simulationen der Kraftstoffeinspritzung üblicherweise verwendete Verdunstungsmodell wurde auf Basis der Film-Theorie eines Einzeltropfens hergeleitet. Folglich ist das Modell nicht in der Lage, die Interaktion mehrerer Tropfen – wie sie üblicherweise in Kraftstoffsprays auftreten – zu berücksichtigen. Zudem zeigte eine Sensitivitätsstudie im Rahmen dieses Projektes, dass die Ergebnisse mit steigender Gitterfeinheit durch Sättigungseffekte zunehmend von den experimentellen Ergebnissen abweichen. Hierfür ist die in der Herleitung getroffene Fernfeldannahme verantwortlich, die bei Tropfendurchmesser zu Gitterkantenlänge-Verhältnissen kleiner als 10 verletzt wird.

In diesem Projekt wurde daher ein verbessertes Verdunstungsmodell entwickelt, welches nicht mehr auf der Fernfeldannahme basiert und welches zudem durch die Einführung eines Auswertekernels in der Lage ist, den Einfluss benachbarter Tropfen auf die Verdunstung zu berücksichtigen. In die Entwicklung des verbesserten Modells flossen dabei sowohl theoretische Überlegungen als auch Ergebnisse aufgelöster Tropfensimulationen ein. Das verbesserte Modell liefert nun für Tropfendurchmesser zu Gitterkantenlänge-Verhältnisse bis eins gitterunabhängige Ergebnisse. Erst bei Verhältnissen unterhalb von eins weichen die Ergebnisse wieder von den experimentellen Ergebnissen ab. Allerdings ist bei diesen Gitterauflösungen der Lagrange’sche Ansatz generell nicht mehr gültig.

Da der Implementierungsaufwand des verbesserten Verdunstungsmodells sehr gering und der erforderliche Rechenaufwand nur minimal größer als beim ursprünglichen Modell ist, wird mit einer breiten Anwendung des Modells in kommerziellen CFD Programmen gerechnet. Viele KMU verwenden diese kommerziellen CFD Programme für ihre Simulationen der innermotorischen Gemischbildung, so dass die Relevanz dieses Projektes für die beteiligten Unternehmen gegeben ist