Inhalt des Projektbereichs B

Zusammengesetzte, komplexe Phänomene

Die Verbrennung in instationären Geschwindigkeits, Temperatur und Druckfeldern in ein- oder mehrphasigen Strömungen in technischen Systemen (Motoren, Gasturbinenbrennkammern, Brennkammern) besteht aus der komplexen Wechselwirkung einer Reihe von einzelnen Prozessen. Zur weiteren Entwicklung eines grundlegenden Verständnisses von instationärer Verbrennung untersucht der Projektbereich B Phänomene in instationären Strömungen, bei denen mehrere Prozesse zusammenwirken  z.B. die Zündung von Kraftstoffsprays in Strömungen heißer Gase, die Tropfen-Wand-Interaktion und den Tropfenabriss, instationäre Flammenausbreitung sowie die Schadstoffbildung unter nichtadiabaten Bedingungen und der Wirkung kalter Wände sowie Verbrennungsinstabi-litäten.

Die einzelnen Teilprojekte zur Untersuchung dieser zusammengesetzten, komplexen Phänomene in Projektbereich B sind ebenfalls über die verschiedenen Themenfelder des Sonderforschungsbereichs gruppiert.

Im Teilprojekt B1 wird die Rußbildung in einer Druckbrennkammer laminaren und turbulenten Diffusionsflammen und teilweise vorgemischten Diffusionsflammen unter nicht-adiabatischen Bedingungen an vorverdampften Brennstoffen (Modellbrennstoffe für Otto- oder Dieselkraftstoffe) untersucht. Die Vormischung der Diffusionsflammen kann hierbei an die unterschiedlichen relativen Dauern der vorgemischten bzw. Diffusionsverbrennung bei der motorischen Verbrennung in direkt einspritzenden Diesel und Ottomotoren angepaßt werden. Die Wandeinflüsse werden der Wärmeübertragung in motorischen Brennräumen angepaßt. Die Rußbildung wird mit einer neu entwickelten zweidimensionalen Meßtechnik (RAYLIX) verfolgt. Die Flammenstruktur unter diesen Bedingungen wird simultan über die relative Konzentration verschiedener Spezies (insbesondere OH). Um instationäre Druck-, Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder zu simulieren, werden die Flammen pulsiert. Ziel dieses Teilprojektes ist die Aufklärung der Wechselwirkung der Zeitskalen für die instationäre Flammenausbreitung, Schadstoffbildung und Wärmeübertragung bei instationärer, nicht adiabater Verbrennung.

Im Rahmen des Teilprojekts B2 soll die Flammenausbreitung bei Benzin-Direkteinspritzung und inhomogenen Gemischen durch den Einsatz neuester experimenteller Methoden grundlegend untersucht werden. Dabei soll insbesondere die Wirkung kalter Brennraumwände, z.B. im Kaltstart oder bei extrem mageren Gemischen mit Wandabkühlung, auf die Flammenstruktur und die Flammen-Wand-Interaktion untersucht werden. Hauptziel der experimentellen Untersuchungen ist es, einen detaillierten Einblick in die physikalischen Vorgänge bei der instationären Flammenausbreitung unter nicht adiabatischen Bedingungen zu ermöglichen und eine breite Datenbasis für die Modellierung der bei der Direkteinspritzung teilweise vorgemischten Verbrennung zur Verfügung zu stellen.

Ein wichtiger Aspekt der Verbrennung unter instationären Bedingungen ist die genaue Vorhersage der Kraftstoffwolke kurz vor der Zündung. Dazu muß der Transportmechanismus

der Kraftstofftropfen in Einspritzstrahlen in der instationären Gasphase und die Wechselwirkung der Tropfen mit der Wand ausreichend verstanden werden. Einen großen Einfluß auf die Wechselwirkung der Kraftstofftropfen mit der Wand hat unter anderem die Wandtemperatur die Geschwindigkeit der Tropfen- und Gasphase sowie die Kollision zwischen den Einzeltropfen. Die beiden angewandten Methoden sind die Volume-of-Fluid-Methode und die Level-Set-Methode.

Die experimentelle Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen kleinen Tropfen und Wänden mit und ohne Flüssigkeitsfilm erfolgt in Teilprojekt B4. Ziel ist es, diese Wechselwirkungen zu analysieren und zur Erarbeitung geeigneter numerischer Modelle zur Verfügung zu stellen. Kleine Tropfen (<50mm), wie sie sowohl für die Benzin Direkteinspritzung als auch für moderne Gasturbinen-Brennkammern von großer Bedeutung

sind, erfordern eine neue Definition der Wandinteraktion. Bei diesen sehr kleinen und leichten Tropfen dominieren die Widerstandskräfte gegenüber den Trägheitskräften. Daher kann sich der Wandeinfluß durch die Wandgrenzschicht, die wiederum von periodischen Störungen und vom Turbulenzgrad der Strömung stark beeinflusst wird, und auch durch die von einem dichten Sprühstrahl induzierte und von der Wand beeinflußte Luftströmung die Tropfenbahn bemerkbar machen. Eine Interaktion von Tropfen mit der Wand kann also auch indirekt stattfinden, ohne daß die Tropfen mit der Wand in direkten Kontakt treten.

Im Rahmen des Teilprojekts B5 soll der Fragestellung nachgegangen werden, wie neben den thermodynamischen Randbedingungen Druck und Temperatur, insbesondere die Charakteristik des Tropfensprays und die Konzentration des verdampften Brennstoffs, in Verbindung mit turbulenten Strukturen, den Vorgang der Selbstzündung beeinflussen. Es soll insbesondere ermittelt werden, welche lokalen Bedingungen zum Zeitpunkt der Selbstzündung vorliegen. Dazu werden simultane Messungen der flächigen Verteilung der gasförmigen Spezies und der Strömungsgeschwindigkeit der gasförmigen und der flüssigen Phase durchgeführt. Die Geschwindigkeiten der Gasphase werden mittels PIV bestimmt, die Verteilung der Tropfen wird durch Mie Streuung visualisiert werden. In der Selbstzündfront sollen durch PLIF Messungen die Konzentrationsverteilung von OH Radikalen bestimmt werden. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen sollen in einem theoretischen Teil des Projekts Detailsimulationen der Tropfenverdampfung und zündung durchgeführt werden, die die wesentlichen Parameter für den Zündprozeß unter diesen Bedingungen identifizieren sollen.

Ebenso wie im Projektbereich A sind die Teilprojekte des Projektbereichs B untereinander, über verschiedene Themenfelder sowie mit den anderen Projektbereichen verbunden. Die Zündung, Flammenausbreitung und Schadstoffbildung unter transienten, nichtadiabaten Bedingungen ist Gegenstand der Teilprojekte B1 und B2. Hier werden an idealisierten Konfigurationen die wesentlichen Abhängigkeiten untersucht sowie die Modellbildung durchgeführt, die dann in komplexere Anordnungen, wie z.B. in Teilprojekt C4 übertragen werden kann. Für die Spray-Bildung, Wechselwirkung Sprüh-strahl-Wand, Spray Verdampfung unter transienten Bedingungen in den Teilprojekte B4 ist ein analoger Zusammenhang gegeben. Die Modellentwicklung und numerische Simulation von Wandfilmströmung und Tropfenabriss wird validiert durch entsprechende Experimente in Teilprojekt B4, die Ergebnisse können in Teilprojekt C3 unmittelbar verwendet werden.