Teilprojekt B01 Gambaryan-Roisman

Teilprojekt B01 Gambaryan-Roisman

Numerische Untersuchung zur Filmverdampfung von Mehrkomponentensystemen und zur Entstehung von Ablagerungen

Motivation

Flüssige Kraftstoffe bilden in Otto- und Dieselmotoren unter bestimmten Bedingungen Wandfilme. Die leichtflüchtigen Komponenten des Kraftstoffs verdunsten bevorzugt. Durch Vernetzung oder chemische Reaktionen können aus den verbliebenen Komponenten feste Ablagerungen entstehen. Diese Ablagerungen beeinflussen die Motoreffizienz und die Schadstoffemissionen negativ. Auch bei anderen Verdunstungsprozessen in der Verfahrenstechnik oder z.B. bei der selektiven katalytischen Reaktion von Stickoxiden im Abgasstrang kann es zu Ablagerungsbildungen kommen, welche den Prozess negativ beeinflussen. Die Prozessabläufe und deren Abhängigkeit von Einflussparametern sind nur unzureichend verstanden.

Ziele

Ziel dieses Projektes ist es, die Verdunstung von Mehrkomponentensystemen aus komplexen Strukturen und den Einfluss von Ablagerungen theoretisch und numerisch zu beschreiben. Dabei sollen die Filmdynamik, der Wärme- und Stofftransport im Flüssigkeitsfilm, die chemischen Reaktionen und die Entstehung von Ablagerungen berücksichtigt werden.

Methode

Die Filmströmung sowie der Wärme- und Stofftransport unter Berücksichtigung chemischer Reaktionen werden mithilfe asymptotischer Methoden und mit direkter numerischer Simulation beschrieben.

Als asymptotische Methode kommt die Long-Wave-Theory (LWT) zum Einsatz. Die Gültigkeit der LWT-Hypothese hängt von den Fluideigenschaften, der Filmdicke und der lokalen Gasströmung ab. Prozesse, die zur Ablagerungsbildung führen, sollen als Quellterme in den Bilanzgleichungen berücksichtigt werden.

Außerhalb des Gültigkeitsbereichs der asymptotischen Modellierungsmethode wird die Verdunstung von Mehrkomponentensystemen direkt numerisch simuliert. Da die Position, der freien Oberfläche a priori nicht bekannt ist, bietet sich eine Volume-of-Fluid (VOF) Methode zur Berechnung an. Das komplette System von Bilanzgleichungen wird mithilfe des Programms OpenFOAM simuliert.

Die Ablagerungen können als wachsartige Substanz oder als poröses Medium auftreten und müssen entsprechend in den Bilanzgleichungen berücksichtigt werden. Für die Validierung des Modells zur Beschreibung der gasgetriebenen Filmströmung sowie des Wärme- und Stofftransports werden die Simulationen zunächst für stationäre Zustände durchgeführt, die den Versuchsbedingungen im generischen Versuchsstand aus Projekt TP-A01 entsprechen

Für die Simulation der Filmströmung sowie des Wärme- und Stofftransports unter innermotorischen Bedingungen soll die Filmevolution instationär gelöst werden, da sich die Kraftstoffeinspritzung periodisch wiederholt. Der Verlauf eines Zyklus besteht aus Einspritzung, Filmausbreitung und Verdampfung. Qualitativ können dabei folgende zwei Regime unterschieden werden: (1) Der durch die Kraftstoffeinspritzung entstandene Flüssigkeitsfilm wird bis zur nächsten Einspritzung nicht vollständig verdampft, sodass die Wand permanent benetzt ist, wobei die benetzte Fläche und Filmzusammensetzung sich zeitlich ändern; (2) Der Kraftstofffilm ist bis zur nächsten Einspritzung vollständig verdampft; der Restkraftstoff verbleibt in den Poren der Ablagerungen. Die unterschiedlichen Regime erfordern die Anwendung verschiedener Modellierungsmethoden. Die Kombination unterschiedlicher numerischer Methoden in einem Gesamtmodell für den gesamten Zyklus stellt eine besondere Herausforderung dar. Zur Validierung sollen die Simulationsergebnisse mit experimentellen Ergebnissen aus TP-A01 verglichen werden.

Abbildung 1: Evolution des Kraftstoffwandfilms nach der Einspritzung. Oben: Der Flüssigkeitsfilm ist bis zur nächsten Einspritzung nicht vollständig verdunstet. Unten: Der Kraftstofffilm ist bis zur nächsten Einspritzung vollständig verdunstet.
Abbildung 1: Evolution des Kraftstoffwandfilms nach der Einspritzung. Oben: Der Flüssigkeitsfilm ist bis zur nächsten Einspritzung nicht vollständig verdunstet. Unten: Der Kraftstofffilm ist bis zur nächsten Einspritzung vollständig verdunstet.