Modellierung der Wärmeübertragung im Brennraum
Ingenieure nutzen numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) zur Beschreibung komplexer Strömungen, beispielsweise in Automotoren. Wie bei allen Modellierungstechniken gibt es stets Verbesserungsmöglichkeiten. Im Rahmen des Projekts MINNOX hat der Fahrzeughersteller DaimlerChrysler Faktoren untersucht, die die Wärmeübertragung beeinflussen und wie diese in CFD-Simulationen berücksichtigt werden können. Die Forschungsarbeiten wurden vom Engine Research Center (ERC) von DaimlerChrysler geleitet. Das ERC begann mit der Untersuchung der Auswirkungen unterschiedlicher Verdichtung des Luft-Kraftstoffgemisches im Brennraum. Durch Anwendung einer Kompressionskorrektur auf den Wärmeübergangskoeffizienten konnten genauere Werte für den Wärmestrom berechnet werden. Das ERC hat die Kompressionskorrektur in den Code zweier bekannter CFD-Modelle integriert: KIVA-3 und STAR-CD. Anschließend wurden die beiden Modelle für die Simulation von Strömung, Verbrennung und Wärmeübertragung in Motorprototypen des MINNOX-Projekts verwendet. Vergleiche mit Daten aus Experimenten ergaben, dass beide Modelle Wärmeströmungen erfolgreich darstellen können, die bisher unterschätzt wurden. Geringfügige Unstimmigkeiten zwischen KIVA-3 und STAR-CD sind auf Unterschiede bei der Parametrisierung turbulenter kinetischer Energie an den Zylinderwänden zurückzuführen. Das ERC konnte in Zusammenarbeit mit MINNOX-Partnern an der Delft University of Technology und dem King's College London zudem eine Gitterkorrektur entwickeln, die die Übereinstimmung der Wandfunktionen verbessert. Insgesamt garantieren die Neuentwicklungen des ERC eine genauere Einbeziehung des Wärmeübergangs in CFD-Modellen. Dies ermöglicht MINNOX-Projektpartnern die Bestimmung der effizientesten Möglichkeiten für die Senkung des Stickoxidausstoßes von Verbrennungsmotoren.
