Teilprojekt B02 Frohnapfel/Magagnato

Teilprojekt B02 Frohnapfel/Magagnato

DNS der Wärme- und Impulsübertragung über Wänden mit Ablagerungen

Motivation

Ablagerungen von Verbrennungsprodukten können zu erhöhter Rauheit an Innenwänden eines Zylinders sowie Einlass- und Abgaskanälen von Verbrennungsmotoren führen. Da turbulente Strömungen abhängig von der Rauheit der angrenzenden Wände sind, können sich durch diese Ablagerungen Wärme- und Impulsübertragung verändern und damit die Leistung des Motors verändern. Strömungen entlang rauer Oberflächen wurden bisher weniger untersucht als solche entlang glatter Oberflächen, weshalb die Ergebnisse sorgfältig überprüft werden müssen.

Ziele

Ziel dieses Teilprojektes ist die Verbesserung eines bestehenden Rauheitsmodells, um detaillierte Ergebnisse zu turbulenten Strömungen mit Wärmeübertragung in der Nähe von rauen Wänden zu erhalten. In diese Studien werden homogene sowie nicht homogene Rauheit von Wänden untersucht.

Methode

Der CFD Code SPARC, der kompressible Strömungen mit Hilfe von strukturierten Netzen parallel berechnen kann, wird als Grundlage genutzt. Die Roughness Element Methode (REM) wird in ihm integriert, um die Rauheit zu modellieren. Dabei wird die reale Oberflächenstruktur durch eine Anzahl von virtuellen Elementen ersetzt, die als zusätzliche Wärmestrom- und Widerstandsterme in die grundlegenden Gleichungen integriert werden. Die Nutzung dieser Methode ist notwendig, da die DNS mit der realen Oberfläche sehr aufwendig ist. Die in der Literatur bestehende REM muss jedoch weiter verbessert werden, um realistischere Ergebnisse zu erhalten. Diese Verbesserung kann über Veränderungen an den Wärmestrom- und Widerstandstermen oder dem grundsätzlichen Schema erreicht werden. Außerdem wird die Wärmeleitung durch die Ablagerung bzw. Zylinderwand implementiert, um den aus den Ablagerungen resultierenden Wärmewiderstand zu berücksichtigen. Die verbesserte REM wird anhand von experimentellen Ergebnissen einer Gasturbine validiert.

Mit den aus den anderen Teilprojekten definierten Oberflächenstrukturen werden DNS basierend auf der REM in Wandnähe durchgeführt und damit die turbulenten Ergebnisse von Strömungen mit dünnen und dicken Ablagerungsschichten berechnet. Nach der Untersuchung von Wänden mit homogener Rauheit werden ähnlichen Studien zu Wänden mit nicht homogener Rauheit durchgeführt.

Abbildung 1: Modelierung eine rauiges wands mit Roughness Element Model (schematich).
Abbildung 1: Modelierung eine rauiges wands mit Roughness Element Model (schematich).