Projektbereich B: Modellbildung und Simulation

Projektbereich B: Modellbildung und Simulation

Das Verhalten chemisch reaktiver Strömungen wird in entscheidender Weise durch die Anwesenheit von Wänden beeinflusst. Dies gilt für zahlreiche technologisch und wissenschaftlich bedeutsame Prozesse, wie die Schadstoffbildung in Verbrennungssystemen, die Bildung prozessstörender Ablagerungen in der Energie- oder Verfahrenstechnik oder allgemein katalytische Effekte. Wandnahe Prozesse beeinflussen in entscheidender Weise neue Technologiekonzepte. Beispiele sind die Entwicklung von Motoren, Gasturbinen, Kraftwerken oder Prozessen in der verfahrenstechnischen Industrie. Trotz ihrer hohen Bedeutung sind die zugrunde liegenden Einzelmechanismen und ihr Zusammenwirken nicht oder nur unzureichend bekannt.

Innerhalb des Projektbereichs B werden Modelle der zugrundeliegenden Prozesse (z. B. Wärme- und Stoffübertragung, Entstehung wandnaher Turbulenz, chemische Reaktionen in Wandnähe) erstellt und an Einzelprozessen simuliert. Die Ergebnisse der Modelle dienen sowohl dem Verständnis generischen Prozesse aus Projektbereich A als auch der Simulation der Leitbespiele aus Projektbereich C. Um die beiden Leitbeispiele „innermotorische Verbrennung“ und „Abgasstrang“ adäquat abbilden zu können, werden im Wesentlichen typische Motorstoffsysteme (Isooktan, Methan, Schmierstoffe) bzw. Stoffsysteme aus dem Abgasstrang, wie Harnstoff-Wasser Lösung, untersucht.

Oben: Das dimensionslose Temperaturfeld; unten: Das dimensionslose Dampf¬konzentrations¬feld sowie Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche für die lokal beheizte Filmströmung. Der Wandheizer befindet sich im Bereich 0<x<0.002 m (schwarzer Strich in Abbildung 6 oben).
Oben: Das dimensionslose Temperaturfeld; unten: Das dimensionslose Dampf¬konzentrations¬feld sowie Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche für die lokal beheizte Filmströmung. Der Wandheizer befindet sich im Bereich 0<x<0.002 m (schwarzer Strich in Abbildung 6 oben).

Gegenstand des Teilprojektes B01 (Gambaryan-Roisman) Numerische Untersuchungen zur Filmverdampfung von Mehrkomponentensystemen und zur Entstehung von Ablagerungen sind flüssige Kraftstoffe, die in Ottomotoren verwendet werden und unter bestimmten Bedingungen Wandfilme bilden. Eine detaillierte Modellbeschreibung der der hochkomplexen Prozesse Filmdynamik und -verdampfung an der topographisch modifizierten Wand und aus porösen Strukturen sowie des Aufbaus von Ablagerungen ist das zentrale Ziel dieses Teilprojektes.

Das Teilprojekt B02 (Frohnapfel/Magagnato) Direkte Numerische Simulation der Wärme- und Impulsübertragung an Wänden mit Ablagerungen befasst sich mit der wichtigen Fragestellung, inwieweit lokale Änderungen der strömungsmechanischen Randbedingungen zu signifikanten Veränderungen des turbulenten Strömungsverhaltens und des Wärmeübergangs führen. Zur Untersuchung des Strömungsverhaltens werden hochaufgelöste Simulationen turbulenter Strömungen mit lokalen Wandrauigkeiten durchgeführt.

Das Teilprojekt B03 (Jakirlic) Numerische Modellierung der konjugierten Impuls-, Wärme- und Stoff-austausche unter Motor- und Abgasstrangbedingungen befasst sich mit simultan ablaufenden Wärme- und Stoffübertragungsprozessen unter Bedingungen nicht ausgebildeter Grenzschichten und veränderlicher Wandmorphologie, wie sie in Verbrennungsmotoren und Abgassystemen anzutreffen sind. Das vorliegende Teilprojekt zielt darauf ab, ein allgemeingültiges Berechnungsmodell im Rahmen einer neuartigen hybriden LES/VLES-Modellierungsstrategie unter Berücksichtigung der komplexen Geometrie des Motorbrennraums sowie des Abgasstrangs zu erarbeiten.

Im Teilprojekt B04 (Olzmann) Kinetische Untersuchung und Parametrisierung chemischer Elementarschritte und Submechanismen sollen neue Mechanismen für ausgewählte Reaktionssysteme aus dem Komplex der Abgasnachbehandlung und der Verbrennung alternativer Kraftstoffe aufgestellt und kinetisch parametrisiert werden. Dazu werden Untersuchungen in Stoßwellenapparaturen sowie in quasistatischen Reaktoren durchgeführt und durch Berechnungen mit statistischen Reaktionstheorien und quantenchemischen Methoden ergänzt. Ziel des Vorhabens ist die Bereitstellung verlässlicher kinetischer Daten unter wandnahen Bedingungen für andere Teilprojekte des Verbundes.

Die zentrale Herausforderung des Teilprojekts B05 (Tischer/Deutschmann) Modellierung und numerische Simulation mehrphasiger chemischer Reaktionen in Abgasnachbehandlungssystemen besteht in der Entwicklung auf Elementarprozessen basierender chemischer Reaktionsmechanismen in allen relevanten Phasen sowie der Entwicklung numerischer Algorithmen zur Berechnung der chemischen Quellterme für deren Integration in Auslegungs-Codes zur Simulation von Strömungen in Wandnähe. Stofflich beschäftigt sich dieses Teilprojekt mit den vor dem eigentlichen Katalysator stattfindenden Prozessen bei der selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden mittels Harnstoff-Wasser-Lösung.

Während relativ einfache Modelle für die chemische Reaktion in der Gasphase (z. B. bei Verbrennungsprozessen in Motoren) oft zu akzeptablen Ergebnissen bei der Simulation führen, versagen diese vollkommen bei Prozessen in Wandnähe. Das Teilprojekt B06 (Maas/Schießl) Reduzierte kinetische Modelle für Verbrennungsprozesse in Wandnähe nimmt sich dieser Problematik an und entwickelt reduzierte Modelle für die Kinetik in Wandnähe. Basis hierfür sind moderne Verfahren zur automatischen Reduktion von Reaktionsmechanismen, wie sie für die Gasphasenkinetik entwickelt und validiert wurden.

Im Teilprojekt B07 (Bykov/Maas) Modellreduktion für Reaktions-Transport-Systeme im Abgasstrang sollen die detaillierten Reaktionsmechanismen für das Modellsystem basierend auf Mechanismusreduktionskonzepten analysiert und reduziert werden. Diese Verfahren wurden bereits für Verbrennungsprozesse in der Gasphase und andere reagierende Strömungen erfolgreich angewendet. Ihre Anwendung auf das Harnstoff-Abgas-System ist jedoch neu und stellt eine immense Herausforderung dar, da grundsätzlich noch zu klären ist, wie viele Zeitskalen separiert werden können und mit welcher Zahl an Fortschrittsvariablen ein hinreichend genaues, reduziertes Modell auskommt.