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Projekt
Flammenausbreitung in inhomogenen Gemischen bei Direkteinblasung – Large-Eddy-Simulation, Modellvalidierung und Analyse
Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Andreas Kempf
Fachliche Zuordnung
Energieverfahrenstechnik
Förderung
Förderung von 2019 bis 2023
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 349537577
In diesem Projekt sollen detaillierte Simulationen von Strömung, Gemischbildung und Verbrennung im Wasserstoffmotor mit Direkteinblasung durchgeführt werden. Diese Grobstruktursimulationen (engl. Large-Eddy Simulation, LES) berücksichtigen die instationären Turbulenzfelder, die Gemischinhomogenitäten und die Ausbreitung der stark gefalteten Flamme mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung, so dass viele, aufeinanderfolgende Zyklen simuliert werden können, die sich durch zyklische Variationen voneinander unterscheiden. Die Ergebnisse der Simulationen werden zunächst anhand experimenteller Daten auf Korrektheit geprüft (validiert) und anschließend analysiert. Dabei kommt eine Rückwärtsanalyse zum Einsatz, die es mit verschiedenen statistischen Methoden und protokollierten Partikelbahnen erlaubt, Besonderheiten in frühen Strömungs- und Mischungsfeldern zu identifizieren, die zum (sptäeren) Zündzeitpunkt und danach zu besonders starker oder besonders schwacher Flammenausbreitung führen. Dabei sind die Besonderheiten von Wasserstoffmotoren zu beachten, insbesondere (i) der starke Einfluss der (überschallschnellen) Direkteinblasung auf das Strömungsfeld sowie (ii) der Effekt der thermodiffusiven Instabilität, welche die Flamme (-nfläche) ausdehnt, faltet und somit vergrößert, was zu einer stark beschleunigten Verbrennung führt. Durch das vorliegende Projekt sollen folgende Fragen beantwortet werden: a) Wie entstehen zyklische Schwankungen im Motor bei Wasserstoff-Direkteinblasung und wie können diese effizient vorhergesagt werden? b) Welche Auswirkungen hat die thermodiffusive Instabilität der Wasserstoffverbrennung auf die zyklischen Schwankungen und wie kann sie modelliert werden? c) Wie wirken sich Brennstoff- (und Abgas-) Inhomogenitäten im Brennraum aus? Die Simulation nutzt detaillierte Randbedingungen zur Wasserstoffeinblasung, Reaktions-und Flammenausbreitungsmodelle, sowie experimentelle Validierungsdaten. Umgekehrt erlaubt die Simulation die Überprüfung, Analyse und Interpretation der im Experiment gemessenen Daten, das Testen der Modelle sowie die Rückverfolgung bis hinein in den Einblasstrahl und den Injektor. Das Experiment liefert dabei schnell und kosteneffizient Messpunkte aus einer großen Zahl von Zyklen, wohingegen die Simulation auf weniger Zyklen beschränkt ist und Modellannahmen unterliegt, dafür aber detaillierten Zugriff auf alle Zustände zu jedem Zeitpunkt und an jedem Ort des Brennraums erlaubt. Durch Kombination von Experiment und Simulation entstehen so relevante, validierte und vollständige Datensätze, als Grundlage für die detaillierte Rückwärtsanalyse jener Wirkketten, die zu zyklischen Schwankungen im Wasserstoffmotor mit innerer Gemischbildung führen.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
