Numerische Werkzeuge machen das Design neuartiger Kraftstoffeinspritzanlagen kostengünstiger
Moderne, elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzsysteme, die mit unterschiedlich hohem Druck und verschiedenen Kraftstoffzusammensetzungen arbeiten, sind eine der Schlüsseltechnologien zur Reduzierung der Schadstoffemissionen, die bei den Verbrennungsprozessen dieser mit Flüssigkraftstoff betriebenen Verkehrs- und Stromerzeugungssysteme entstehen. „Der gemeinsame Nenner aller derzeit verfügbaren Gestaltungen ist die Bildung von Mehrphasenströmungen, welche die Kraftstoffzerstäubung sowie auch die nachfolgenden Eigenschaften und die Vermischung der eingespritzten Kraftstoffnebel steuern“, so Manolis Gavaises, wissenschaftlicher Koordinator des EU-finanzierten Projekts HAoS und Professor an der koordinierenden Einrichtung City, University of London. Diese Forschungsarbeit wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen gefördert.
Experimente mit direkten numerischen Simulationen
Die Projektpartner arbeiteten an der Entwicklung und experimentellen Validierung von CFD-Modellen (computational fluid dynamics, numerische Strömungsmechanik) und befassten sich zu diesem Zweck mit den in Kraftstoffeinspritzanlagen auftretenden Strömungsprozessen für ein breites Spektrum von Verbrennungskonzepten. Dazu gehören herkömmliche Benzin- und Dieselmotoren, Gasturbinen, Raketentriebwerke und Heizölbrenner, die zur Stromerzeugung verwendet werden. Die Forschungsschwerpunkte der Partner lagen auf Strömungsphänomenen wie der Keimbildung von Blasen bei der Kavitation, dem Flash Boiling und der Wasseremulsion sowie den weiteren Fragmentierungsprozessen gebildeter Flüssigkeitsstrukturen. Das Hauptziel der Forschenden war es, diese Prozesse zu verstehen und im Rahmen eines CFD-Modells zur Grobstruktursimulation zu modellieren. „Bei diesem Ansatz müssen die oben genannten ungelösten Prozesse auf Teilnetzebene modelliert werden, während ihre Auswirkungen auf technischer Ebene bei erschwinglichen Rechenzeiten durch numerische Simulationen erreicht werden“, erklärt Gavaises. Durch maßgeschneiderte Experimente und direkte numerische Simulationen entwickelten sie relevante Schließungsmodelle auf Teilnetzebene. Diese Modelle wurden dann in verschiedenen Grobstruktursimulationscodes eingebettet. Die Teammitglieder betrachteten spezifische Phänomene, darunter die Auswirkungen der Implosion der Kavitationsblase auf die Primärzerstäubung von Diesel- und Benzinkraftstoffen, der Blasen-/Dampfbildung in Flüssigsauerstoffdüsen und der Eigenschaften von Luft-Heizöl-Gemischen auf die Zerstäubung in Heizölbrennern sowie die Auswirkungen der Aerodynamik der Flüssigtröpfchen, der Wasseremulsion, der Strömungsturbulenzen und des Tropfenschlags auf fragmentierte Oberflächen.
Industrielle Anwendungen
Das HAoS-Team validierte die entwickelten Simulationswerkzeuge anhand der neu gewonnenen experimentellen Vergleichsdaten. Diese Werkzeuge fehlen bei Modellen, die dem neuesten Stand der Technik entsprechen. Die Validierung umfasste Diesel- und Benzinkraftstoffeinspritzdüsen, Luftstrahlzerstäuber, Y-Strahlzerstäuber, die mit Ölbrennern verwendet werden und Einspritzdüsen, die mit kryogenen Flüssigkeiten bei Raketentriebwerken genutzt werden. „Solche Vergleiche zeigen die Anwendbarkeit und den Mehrwert der entwickelten Modelle für Verbrennungsmotoren, Gasturbinen, Kraftstoffbrenner und sogar Treibstoffeinspritzdüsen für Raketentriebwerke“, so Gavaises abschließend. „Demnach werden diese Modelle der Industrie und Unternehmen wie Herstellern von Kraftstoffeinspritz- und Verbrennungssystemen zugute kommen, die sie als Gestaltungsinstrumente für die Entwicklung neuer Kraftstoffeinspritzsysteme und Verbrennungskonzepte einsetzen.“ Darüber hinaus werden die Ergebnisse von HAoS auch für die breitere Gemeinschaft im Bereich der Strömungsmechanik von Nutzen sein, die von den neu gewonnenen physikalischen Erkenntnissen über den Zusammenhang zwischen Mehrphasenströmung in der Düse und Zerstäubung profitieren wird. Schließlich wurden im Rahmen des Projekts auch 15 Nachwuchsforschende ausgebildet, womit gleichzeitig eine neue Generation von Forschenden im Bereich der Technologie für Kraftstoffeinspritzanlagen gefördert wurde.
Schlüsselbegriffe
HAoS, Kraftstoffeinspritzung, Zerstäubung, Kraftstoffeinspritzanlagen, Stromerzeugung, mit Flüssigkraftstoff betriebenes Verkehrssystem, Teilnetzebene, numerische Strömungsmechanik, CFD, Grobstruktursimulation
