Motoremissionen werden simuliert
Dabei hat eine europäische strategische Forschungsagenda die Rolle der Drehflügler als wettbewerbsfähiges und finanziell tragbares Transportmittel für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen hervorgehoben. Gasturbinenmotoren unterliegen deshalb strengen Emissionsvorschriften in Bezug auf die Schadstofffreisetzung. Da den Emissionen zunehmend Beachtung geschenkt wird, arbeiten die Forscher an der Entwicklung von Rechenwerkzeugen, die Abgasemissionswerte für variierende Flug- und Betriebsbedingungen vorhersagen. Vor diesem Hintergrund initiierten EU-finanzierte Wissenschaftler das Projekt "Emission analysis. Tools required to perform the emission analysis and evaluation methodology" (EMICOPTER), um ein leistungsfähiges Instrument zur Prognose von Emissionen zu entwickeln. Dieses Instrument erfordert keine Abstimmungsparameter, wodurch es insbesondere für Vorhersagen unter Bedingungen, für die keine experimentellen Daten vorliegen, zuverlässiger wird. par. Das Projekt erstellte detaillierte Modelle auf Basis von Daten aus gekoppelter Fluiddynamik und -kinetik, die für CFD-Simulationen (numerische Strömungsmechanik, Computational Fluid Dynamics) verwendet wurden. Diese CFD-Daten wurden mittels eines kinetischen Werkzeugs nachbearbeitet, um die Entstehung von Schadstoffen bei der Verbrennung genau zu beschreiben. Die detaillierte Kinetik kam gleichermaßen zum Einsatz, um das Temperaturfeld innerhalb der Brennkammer besser zu beschreiben, wodurch genauere Emissionsberechnungen möglich wurden. Da diese Berechnungen eine erhebliche Verarbeitungszeit erfordern, entwickelte man spezielle numerische Algorithmen. Nach einer exakten Analyse des Stands der Technik definierten die Wissenschaftler einen Ersatzbrennstoff sowie entwickelten und validierten dessen Verbrennungskinetik. Der daraus resultierende kinetische Mechanismus war dann der Ausgangspunkt für den Aufbau einer Datenbank für CFD-Berechnungen. Diese basierten auf der Brennkammergeometrie einer speziellen Hubschraubermotors. Dieser spezielle Motor wurde untersucht, um die Bildung unverbrannter Kohlenwasserstoffe zu ergründen, welche den Verbrennungswirkungsgrad verringert und folglich den Kraftstoffverbrauch und die Stickoxidemissionen (NOx) erhöht. Die NOx-Motoremissionen wurden für den Leerlauf und unter Startbedingungen berechnet und dann mit verfügbaren experimentellen Messungen verglichen. Die Projektresultate zeigten eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den experimentellen Daten und bezeugten somit die nicht zu unterschätzende Bedeutung des bei der CFD-Simulation eingesetzten kinetischen Mechanismus. Der vorgeschlagene Ansatz kann nun nicht nur zur Bewertung der Emissionen existierender Motoren, sondern zum Entwurf und Bau neuer Brennkammern mit geringen Emissionen dienen.
Schlüsselbegriffe
Schadstoffemissionen, Hubschraubermotor, Kinetik, numerische Strömungsmechanik, Computational Fluid Dynamic, Brennkammer, Stickoxidemissionen, Stickstoffmonoxidemissionen
