Neue Werkzeuge zur Modellierung von Verbrennung und Kraftstoffen
Der Kraftstoffinjektor ist für die Gestaltung von emissionsarmen Brennern von entscheidender Bedeutung. Durch das Verständnis und die Steuerung der komplexen Physik der Kraftstoffzerstäubung lassen sich schädliche Emissionen maßgeblich minimieren. Bis jetzt haben sich Simulationen auf zu stark vereinfachte Definitionen des Kraftstoffnebels verlassen. Darüber hinaus sind aktuelle Rußmodelle nicht genau genug, um die Entwicklung neuer umweltfreundlicher Brenner zu unterstützen. Die beiden Modellierungsbereiche sind eng miteinander verbunden, da die Sprüheigenschaften die Randbedingungen für die Rußmodellierung festlegen. Das Projekt FIRST (Fuel injector research for sustainable transport) machte einen großen Schritt Vorwärts hinsichtlich Detail und Genauigkeit bei der Vorhersage von Sprühnebelabbau und Rußemissionen und nutzte dafür fortschrittliche physikbasierte Modellierungstechniken, Diagnosemessungen und Ableitung von ausgeklügelten Zusammenhängen. Die Entwicklung eines virtuellen numerischen Tools für Injektoren und von Vorhersagetechniken für die Rußbildung erfordert eine umfangreiche Validierung von Datenbanken mit quantitativen Messergebnissen. Detaillierte experimentelle Messungen zu Zerstäubungs- und Spritzverhalten wurden mit Hilfe modernster innovativer Diagnoseverfahren für eine Reihe von Geometrien durchgeführt, um sowohl die auf der Physik als auch auf der Phänomenologie basierten Modellierungsansätze zu validieren. Hinsichtlich der Zerstäuben untersuchten die Forscher drei verschiedene Ebenen der experimentellen Komplexität: Grundkonfigurationen, idealisierten Injektorkonfigurationen und industrielle Injektorkonfigurationen. Für die Rußmessungen wurden mehrere moderne Messtechniken getestet und angewendet, um umfassende Daten-Sets für die Rußmodellvalidierung zu liefern. Die Arbeiten an den numerischen Modellen für die Zerstäubung beinhalteten direkte numerische Simulationen der Navier-Stokes-Gleichungen für kleine Domänen, rechnerische Fluiddynamikberechnungen der Brennkammergeometrie sowie phänomenologische Modelle. Die neu entwickelten Sprayabbau- und Rußmodelle wurden in Entwurfswerkzeuge der Projektpartner aufgenommen. Diese Werkzeuge wurden dann verwendet, um das Spray- und Emissionsverhalten von innovativen emissionsarmen Verbrennungssystemen vorherzusagen. Durch verbesserte Mess- und Modellierungswerkzeuge sowohl für Kraftstoffeinspritzung als auch Rußbildung werden die Ergebnisse von FIRST die Entwicklung erschwinglicher, saubererer und zuverlässigerer Motorenprodukte beschleunigen. Diese neuen Entwicklungen werden dazu beitragen, die Luftfahrtindustrie einen Schritt näher an die Erreichung der Umweltziele des Beirats für Luftfahrtforschung und Innovation in Europa (ACARE) bringen.
Schlüsselbegriffe
Verbrennung, Kraftstoffe, Motoren, Luftfahrt, Transport, Kraftstoffeinspritzer, Ruß
