Modellierung von Verbrennungsmotoren
Den größten Teil der Energieumwandlungsprozesse, die weltweit stattfinden, bilden Verbrennungsvorgänge. Eine präzise Modellierung ist daher unerlässlich, wenn die EU-2020-Ziele in Hinsicht auf die Reduzierung der Emissionen von Verbrennungsmotoren und -geräten erreicht werden sollen. In Antwort auf die steigende Nachfrage nach zuverlässigen Simulationswerkzeugen für reaktive Strömungen riefen Wissenschaftler das von der EU finanzierte Projekt "Combustion models for industrial applications" (COMBINA) ins Leben. Projektpartner aus fünf Ländern vereinten ihre Kräfte, um moderne Modelle für vorgemischte, teilweise vorgemischte und Sprayverbrennung zu entwickeln. Das Vormischverbrennungsmodell basierte auf einem BML-Abschlussmodellierungsansatz (Bray-Moss-Libby) für turbulente Brenngeschwindigkeiten, der mit Hilfe der CFD-Software FINE/Open (numerische Strömungsmechanik, Computational Fluid Dynamics) umgesetzt wurde. Zur Simulierung vorgemischter Flammen mit Verdünnung oder teilweise vorgemischter Verbrennung koppelten die Wissenschaftler den BML mit dem Flamelet-Fraction-Ansatz. Eine Alternative zur Hybrid-BML-Flamelet-Modellierung war die FGM-Methode (Flamelet Generated Manifold). Die entwickelten Modelle wurden anhand einer Reihe von Testfällen validiert, bei denen es um die analytische Verifizierung und spezielle Flammenkonfigurationen bis hin zu komplexen industriellen Testfällen ging. Sämtliche Modelle dieser Art stehen auf dem Softwareinstrument über eine nutzerfreundliche grafische Benutzeroberfläche zur Verfügung. Zur Modellierung von verdampfenden Sprays integrierten die Wissenschaftler ein Lagrange-Modul in FINE/Open und koppelten es mit den entwickelten Verbrennungsmodulen. Zusätzlich zur Validierung an einer Serie von elementaren Sprayflammen wurde es zur Simulation von zwei Triebwerksbrennkammern eingesetzt. Die Resultate ergaben, dass die FGM-Methode im Vergleich zur Flamelet-Methode ein geeigneterer Ansatz zur Simulation von Spray-Verbrennungsprozessen ist. Um geeignete Daten zur Validierung numerischer Spraymodelle zu erzeugen, führte ein Projektmitglied Messungen an kalten Jet-A1-Brennstoffsprays für verschiedene Ausströmdrücke durch. Die Tröpfchengrößenverteilung wurde mit Hilfe von interferometrischer Partikelbildgebung (Particle Image Velocimetry, PIV) gemessen. Die Projektpartner fertigten außerdem eine Nachbildung eines Industrievormischbrenners an und führten Messungen für verschiedene Wirbelzahlen durch, um die Modelle der vorgemischten Verbrennung zu validieren. COMBINA bot den Hochschulpartnern die Möglichkeit an, moderne, fortgeschrittene Modelle in einer industriellen Umgebung zu erproben, die bislang nur anhand von Codes auf vereinfachte Konfigurationen angewandt werden konnten. Die Projektresultate fanden im Rahmen einer Workshoppräsentation und auf der Internetseite des Workshops Verbreitung.
Schlüsselbegriffe
Verbrennungsmotoren, Verbrennungsmodelle, Industrieanwendungen, vorgemischt, Sprayverbrennung
