IGF 20909 N
Benchmark Plattform für skalenauflösende Simulationen

Dieses Projekt ist das Resultat einer Forschungsaufgabe, die von der FVV e.V. // Science for a moving society gestellt und am Institut für Reaktive Strömung und Messtechnik (RSM) der Technischen Universität Darmstadt unter der Leitung von Prof. Dr. habil. Andreas Dreizler und am Institut für Simulation reaktiver Thermo Fluid Systeme (STFS) der Technischen Universität Darmstadt unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Christian Hasse bearbeitet wurde.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde eine umfangreiche experimentell-numerische Benchmark-Plattform zur Unterstützung der industriellen Nutzung skalenauflösender Motor-Simulationen erstellt. Der Fokus lag dabei auf dem Zündzeitpunkt und frühen Flammenausbreitung. Dafür wurden die Prozesse im Zylinder mithilfe kombinierter hochauflösender optischer Messmethoden und Simulationen detailliert untersucht und analysiert. Die Untersuchungen umfassten Betriebspunkte mit unterschiedlichen Einspritzstrategien und Zündzeitpunkten, wie sie für das Katheizen von Relevanz sind. Experimentell wurden die High-Speed Particle Image Velocimetry (PIV) zur Strömungsfeldmessung und Flammenvisualisierung, Mie-Streuung zur Charakterisierung des Sprays und Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) zur Visualisierung des Mischungsfeldes zum Zündzeitpunkt eingesetzt. Parallel dazu wurde ein Simulationsworkflow entwickelt und skalenaufgelöste Large-Eddy-Simulationen (LES) und Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Simulationen (RANS) der Betriebspunkte auf Basis der experimentell ermittelten Randbedingungen durchgeführt.

Ergebnisse

Die Ergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation. Die Beobachtungen zeigten, dass die frühe Einspritzung einen erheblichen Einfluss auf die Zylinderinnenströmung hat und den Tumble von der Zündkerze weg in Richtung Abgasseite verschiebt. Die Untersuchungen offenbarten auch eine starke Abhängigkeit der Flammenausbreitung von lokalen Strömungsstrukturen. Generell breitet sich bei allen Betriebspunkten die Flamme in Richtung Einlass aus. Eine späte Einspritzung konnte die frühe Flammenausbreitung stabilisieren und damit die generell höheren zyklischen Schwankungen der spät gezündeten Betriebspunkte reduzieren.

Die Zusammenführung von experimentellen Daten und numerischen Simulationen zu einem Benchmark-Datensatz, stellt eine wichtige Ressource für die Evaluierung und Validierung von Modellen und Simulationstools dar und bietet die Möglichkeit Simulations-Workflows zu evaluieren und optimieren. Diese optimierten Simulationstools bilden eine wesentliche Grundlage für eine zeit- und kosteneffiziente Entwicklung von zukünftigen Verbrennungsmotoren, insbesondere vor dem Hintergrund der Vielzahl der derzeit diskutierten neuen CO2-freien bzw. -neutralen Kraftstoffen.

Flammenwahrscheinlichkeit LES vs. Experiment.
Flammenwahrscheinlichkeit LES vs. Experiment.

Förderung

Das Forschungsvorhaben wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF-Nr. 20909 N) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) e. V. aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Schlussbericht des Vorhabens kann über die FVV e.V. // Science for a moving society bezogen werden (Postanschrift: Lyoner Str. 18, 60528 Frankfurt am Main, E-Mail: info@fvv-net.de, Tel.: +49 69 6603 1345).