Projektbereich C: Leitbeispiele

Projektbereich C: Leitbeispiele

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 C wird anhand von Leitbeispielen von hoher wissenschaftlicher und technischer Relevanz das Zusammenwirken der Einzelmechanismen experimentell und numerisch untersucht. Bei der Leitbeispiel „innermotorischen Verbrennung“ wird analysiert, auf welche Weise Wände (z. B. Zylinder, Kolben) die Verbrennung von Treibstoffen im Motor beeinflussen. Auch der Einfluss von mit Treibstoff oder Schmiermittel benetzten Wänden wird geprüft. Bei der SCR-Katalyse im Leitbeispiel „Abgasstrang“ wird eine Harnstoff-Wasser Lösung in das heiße Abgas des Motors eingespritzt, welches sich zu Ammoniak zersetzt und dadurch den Schadstoff NOx chemisch zu ungiftigen Stoffen reduziert. Innerhalb des Projektbereiches C wird untersucht, auf welche Weise die Abgasrohrwand die Zersetzung von Harnstoff-Wasser Lösung beeinflusst. Für diese Untersuchungen beider komplexer Leitbeispiele sind sowohl alle Einzelmodelle der zugrundeliegenden Prozesse aus Projektbereich B als auch neuentwickelte Messtechniken aus Projektbereich A nötig.

Flammenpropagation im Motor: Messung der Flammenfront und Strömungsfeld an der Zündkerze
Flammenpropagation im Motor: Messung der Flammenfront und Strömungsfeld an der Zündkerze

Ziel des Teilprojekts C01 (Böhm) Experimentelle Charakterisierung innermotorischer wandnaher Strömungs- und Verbrennungsprozesse ist es, diese innermotorischen wandnahen Prozesse zu untersuchen und Validierungsdaten für das Gesamt¬modell zu generieren. Dazu sind die Einzelphänomene Einbringung des Kraftstoffs, Wandbenetzung sowie die Interaktion der Flamme mit der Wand, die Zündung des abdampfenden Kraftstoffs und die anschließende chemische Umsetzung von Interesse. Die Zusammen¬führung dieser Einzelphänomene unter diesen komplexen realitätsnahen Randbedingungen erfolgt in diesem Teilprojekt in einem DI-Ottomotor.

Die Herausforderung in der Motorenentwicklung besteht vor allem in der gleichzeitigen Absenkung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen. Gerade bei Ottomotoren mit Downsizing-Konzepten, häufig in Kombination mit Motoraufladung, rücken Verbrennungsanomalien wie Klopfen oder Vorentflammung und vor allem die Rußentstehung in den Vordergrund. Hier setzt das Teilprojekt C02 (Kubach/Koch) Kraftstoff-Wand-Interaktion bei innermotorischer Verbrennung mit Direkteinspritzung und Hochaufladung an. Diese sehr intensiv miteinander wechselwirkenden Mechanismen, die unter den gegebenen motorischen Randbedingungen zu den oben erwähnten Effekten führen, werden in diesem Teilprojekt untersucht.

Ziel des Teilprojekts C03 (Janicka/Sadiki) LES-basierte Untersuchung der Flamme-Wand-Interaktionen unter innermotorischen Bedingungen ist es, allgemeingültige Modelle im Rahmen der Grobstruktursimulation zu entwickeln und zu validieren, die in der Lage sind, alle zentralen Phänomene unter innermotorischen wandnahen Bedingungen zu beschreiben. Die Modelle werden durch Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen der Projektbereiche A und C validiert. In Folgeperioden werden fortschrittliche Teilmodelle für die Turbulenz- und Skalarfeldmodellierung, für komplexe Mehrphasenströmung und für neue Kraftstoffe in das Gesamtmodell integriert.

Die zentrale Aufgabe des Teilprojektes C04 (Deutschmann/Suntz) Experimentelle Untersuchung chemischer, mehrphasiger Reaktionen in Abgasnachbehandlungssystemen besteht im Aufbau und Betrieb eines extrem anspruchsvollen generischen Experimentes zur Untersuchung von Mehrphasenreaktionen im Abgasstrang. Das Experiment dient sowohl der Entwicklung von chemischen Modellen als auch deren Evaluierung, insbesondere bezüglich der Wechselwirkung von chemischen Reaktionen und komplexen Transportvorgängen wie Diffusion, turbulenter Strömung und Verdampfung.

Die Reaktionen und die Ammoniak-Umsatzeffizienz in SCR-Systemen (Selective Catalytic Reduction) von modernen Dieselmotoren werden in entscheidender Weise vom Verdampfungsprozess und von der Mischung von Abgas und der Harnstoff-Wasser-Lösung im Abgasstrang vor dem Katalysator determiniert. Das Teilprojekt C05 (Sadiki/Janicka) Ganzheitliche numerische Modellierung von reagierenden, mehrphasigen Strömungsvorgängen im Abgasstrang zielt daher auf eine umfassende numerische Modellierung dieser reagierenden mehrphasigen Strömungsvorgänge im Abgasstrang mithilfe von innovativen instationären numerischen Simulationsmethoden.