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Projekt
Skalenauflösende Simulation von Mehrkomponenten-Düsenströmungen
Antragstellerin
Professorin Dr.-Ing. Andrea D. Beck
Fachliche Zuordnung
Energieverfahrenstechnik
Förderung
Förderung seit 2023
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 349537577
Das Projekt untersucht detailliert Einblas- und Mischungsvorgänge von Wasserstoff in Luft, wie sie bei Direkteinspritzung vorkommen. Aufgrund des hohen Vordrucks bildet sich dabei eine unterexpandierte Überschallströmung aus, bei der es zu einer komplexen Interaktion von Stoßsystemen und Turbulenz kommt. Dies beeinflusst den Mischungsort und die Verteilung; ebenso ist ein deutlicher Effekt der thermodynamischen Parameter zu erwarten. Unsicherheiten in Zuströmung oder Düsengeometrie tragen zum komplexen, nichtlinearen Verhalten bei, welche nicht nur die Verbrennung beeinflusst sondern auch als Ursache bzw. Teil der Ursachenkette von intermittierend auftretenden zyklischen Schwankungen in Frage kommt. Die Charakterisierung dieser Mischungsvorgänge als Funktion der identifizierten Parameter ist Ziel dieses Teilprojekts. Dazu werden hochaufgelöste Grobstruktursimulationen unterexpandierter Wasserstoffeinblasungen durchgeführt. Die Auflösung der relevanten Skalen in Raum und Zeit ist dabei zur Erfassung der Multiskalen-Multiphysik-Effekte sowie der intermittierenden Phänomene unbedingt erforderlich. Dabei stellen zum einen die Koexistenz von turbulenten Regionen und Stoßsystemen große Herausforderungen an die Numerik, zum anderen ist die Disparität der auftretenden Skalen (z.B. mehr als 3 Größenordnungen liegen zwischen Düsenhals und Durchmesser) mit Rechengittern mit global konstanter Auflösung selbst auf Höchstleistungsrechnern nicht darstellbar. Deshalb kommen hier modernste Verfahren hoher Ordnung mit Adaptionsfähigkeiten zum Einsatz, die die lokale Gitterauflösung an die auftretenden Skalen anpassen können. Diese Verfahren werden in diesem Projekt für Mehrkomponentenströmungen erweitert. Damit können die Düseninnenströmung sowie die anschließende Mischung mit bisher unerreichter Genauigkeit abgebildet und den experimentellen Ergebnissen gegenübergestellt werden. Auf der Grundlage dieser Methodik wird weiterhin in diesem Teilprojekt der Einfluss der thermodynamischen Parameter (Zustandsgleichung, Diffusionsansatz) in Kooperation mit numerischen und experimentellen Partnerprojekten untersucht. Die so gewonnenen hochaufgelösten Strömungsfelder sowie die Teilchenbahnen passiv mittransportierter Partikel werden unter Berücksichtigung der Parallelisierungsanforderungen an den Simulationscode zur Verbrennungssimulation gekoppelt und schließen so einerseits die Simulationskette von der Düse bis hin zur Verbrennung und erlauben andererseits eine gemeinsame Untersuchung der auftretenden Schwankungen (durch Korrelationsanalyse sowie durch Ursachenrückverfolgung durch Tracer). Mit Hilfe von Multi-Level und Multi-Fidelity Methoden werden die Resultate gegenüber Änderung der Düsenströmung abgesichert. Insgesamt soll dieses Projekt dazu beitragen, die Wasserstoffeinblasung und Durchmischung zuverlässig und hochgenau abbilden zu können und damit einen Beitrag zur Vorhersage von zyklischen Schwankungen zu liefern und deren Ursachen besser zu verstehen.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
