ISBN 9783868539943

978-3-86853-994-3, Reihe Thermodynamik

Wolfgang Sander
Direkte Numerische Simulation von Zerfallsvorgängen in Zweiphasenströmungen im Bereich von Verbrennungsmotoren

148 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2010), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit sind numerische Untersuchungen von Zerfallsvorgängen in Zweiphasenströmungen. Die hier untersuchten Phänomene zum primären Strahlzerfall und der Ventilkühlung sind insbesondere für Verbrennungsmotoren relevant. Darüber hinaus ist gerade der primäre Strahlzerfall ein weit verbreitetes Phänomen in sämtlichen technischen Anwendungen mit flüssigkeitsbasierten Verbrennungsprozessen. Hierzu zählen neben Otto- und Dieselmotoren auch Gasturbinen und Raketentriebwerke. Dagegen wird das Prinzip der flüssigkeitsgekühlten Ventile bis heute lediglich in dem Bereich von Verbrennungsmotoren eingesetzt.

Der Einsatz numerischer Simulationswerkzeuge zur Untersuchung derartiger Strömungen ist heute weit verbreitet. Üblicherweise werden RANS-basierte Verfahren verwendet, welche auf ein Turbulenzmodell zurückgreifen. Die Genauigkeit dieser Ansätze wird durch die jeweiligen Modellannahmen und Vereinfachungen beeinflußt. Hierbei spielt auch der Strömungscharakter eine entscheidende Rolle. Insbesondere transitionelle Strömungen können mit derartigen Ansätzen nicht exakt berechnet werden.

Um diese Schwierigkeiten zu umgehen wurde hier auf die Direkte Numerische Simulation (DNS) zurückgegriffen. Die Grundidee der DNS basiert darauf sämtliche Strukturen einer Strömung numerisch aufzulösen, also ohne eine Turbulenzmodellierung. Deswegen ist eine DNS stets in der Lage das Strömungsverhalten exakt wiederzugeben. Der Nachteil dieses Ansatzes ist jedoch ein vergleichsweise hoher Rechen- und Speicherbedarf. Daraus resultieren relativ hohe Anforderungen hinsichtlich der Rechenleistung, insbesondere wenn die Strömung stark dreidimensional und instationär ist.

Die hier gezeigten Simulationen wurden mit dem DNS-Programm Free Surface 3D (FS3D) auf einem Höchstleistungsrechner (NEC SX-8) durchgeführt. Durch Parametervariationen in der Form von numerischen Experimenten konnten erstmals verschiedene Einflußfaktoren in diesem Bereich systematisch untersucht werden. Die Ergebnisse sind, aufgrund der hohen numerischen Genauigkeit und der fehlenden technischen Möglichkeiten ähnliche experimentelle Untersuchungen durchzuführen, auch in Zukunft unverzichtbar. Darüber hinaus kann die dafür angegpaßte Programmversion von FS3D auch zukünftig für ähnlich komplexe Untersuchungen verwendet und erweitert werden.