Teilprojekt B03 – Jakirlic

Teilprojekt B03 – Jakirlic

Numerische Modellierung der konjugierten Impuls-, Wärme- und Stoffaustausche unter Motor- und Abgasstrangbedingungen

Motivation

Der Einfluss einer festen Wand auf die Struktur der umgebenden Strömung äußert sich in Form von selektiv wirkenden Mechanismen wie Produktion und Destruktion einzelner turbu-lenter Spannungskomponenten sowie assoziierter Umverteilungsprozesse. Diese Effekte werden durch simultan ablaufende Wärme- und Stoffübertragungsprozesse noch verstärkt. Nicht voll ausgebildete Grenzschichten sowie eine veränderliche Wandmorphologie, wie sie aufgrund von Ablagerungsprozessen in Verbrennungsmotoren und Abgasstrangsystemen auftreten können, tragen zusätzlich zur Verstärkung der Anisotropie der Turbulenz bei.

Ziele

Das übergeordnete Ziel ist die Erarbeitung eines hybriden RANS/LES-Modells, das in der Lage ist die in den wandnahen Gebieten eines Verbrennungsmotors oder Abgasstrangsys-tems ablaufenden Prozesse zu erfassen. Dies umfasst neben dem gekoppelten Impuls-, Wärme- und Stofftransport den Einfluss der Wandmorphologie aufgrund der durch Ablage-rungsprozesse entstehenden Wandrauigkeit.

Methode

Um die in Wandnähe wirkenden Effekte mit einem überschaubaren Rechenaufwand zu erfas-sen kommt ein hybrides RANS/LES-Modell zum Einsatz. Hier bietet sich das Very-Large-Eddy-Simulation-Konzept (VLES) an, bei dem im Vergleich zur LES ein kleinerer Anteil der turbulenten Strukturen aufgelöst wird. Zur Modellierung dieser nicht aufgelösten Strukturen wird ein fortschrittliches RANS-Modell als Feinstrukturmodell eingesetzt. Dazu sind geeignete Modifikationen am RANS-Modell vorzunehmen um in Abhängigkeit von der lokalen Gitterweite einen nahtlosen Übergang vom RANS-Modus (voll-modellierte Turbulenz) zum DNS-Modus (voll-aufgelöste Turbulenz) zu ermöglichen. Zusätzlich wird die Möglichkeit untersucht, das hybride RANS/LES-Modell lediglich in unmittelbarer Nähe fester Wände einzusetzen und in der Kernströmung auf konventionelle Feinstrukturmodelle zurückzugreifen. Dabei müssen Konzepte für den Austausch der turbulenten Größen über das LES/VLES-Interface erarbeitet werden.

Für die Erfassung der Rauigkeit werden zwei Konzepte verfolgt: Die Erstellung eines syntheti-schen Rauhigkeitsmusters aus zufällig angeordneten Ellipsoiden mit anschließender „Diskreti-sierung“ mit Hilfe der Immersed-Boundary-Methode sowie die Transformation in eine äquiva-lente Porosität. Die äquivalente Porosität bietet dabei den Vorteil, dass die Modellierung direkt durch Quellterme in den Transportgleichungen erfolgt und somit die Wandgeometrie nicht di-rekt berücksichtigt werden muss.

Zur Validierung werden zunächst generische Konfigurationen verwendet, die wandnahe turbu-lente Strömungen und Wärmeübertragungsprozesse entlang glatter und rauer Wände umfas-sen. Als numerische Plattform kommen die Programme FASTEST und OpenFOAM zum Ein-satz.