Numerische Berechnung der Strömung im Ottomotor mit der Large Eddy Simulation F. Magagnato
Übersicht Motivation Numerisches Schema von SPARC Netzgenerierung und Modellierung LES des ROTAX Motors bei 2000 min -1 Erweiterung von SPARC durch Immersed Boundary Methode Zusammenfassung und Ausblick
Motivation Im Rahmen des SFB 606 werden u.a. direkteinspritzende Otto- und Dieselmotoren mit LES (FSM) und Experiment (IFKM) untersucht. Weil in SPARC bisher Spraymodellierung noch nicht möglich war, wurde zuerst Saugrohreinspritzung untersucht.
Motivation LES ist prinzipiell besser geeignet als klassische CFD (RANS) bei Berechnung von turbulenten Strömungen. Ein vom Engler-Bunte-Institut entwickeltes Verbrennungsmodell wurde verwendet Ein leicht modifizierter Einzylindermotor (Rotax) wurde vom IFKM vermessen und mit LES analysiert.
Numerisches Schema SPARC ist ein am KIT entwickelter blockstrukturierter Strömungslöser basierend auf der Finiten-Volumen-Methode Er löst die kompressiblen Navier-Stokesgleichungen im krummlinigen Koordinatensystem 2. bis 4.Ordnung genau im Raum und 2. Ordnung in der Zeit. Er ist sehr effizient mit MPI parallelisiert ( 96% Effizienz bei 1024 Prozessoren) Wird von mehreren Universitäten bzw. Instituten in In- und Ausland benutzt und weiterentwickelt (z.b. MIT, Tsinghua, UVIC, Pol. und Chin. Akademie der Wissenschaften)
Netzgenerierung und Modellierung Vierventilmotor mit Hub und Bohrung 83mm x 100 mm und Verdichtungsverhältnis von 11.5:1. Drehzahl Ω=2000 min -1 und Last = 100% Konst. Totaldruck am Einlass und konst. statischer Druck am Auslass. Netz besteht aus ca. 7*10 6 Rechenpunkte. Isocontours of Q-criterion
Netzgenerierung und Modellierung Netzgenerierungdauer mit ICEMCFD ca. 6 Monate. Nachteilig für LES sind (unvermeidlichen) Verdichtungen im Strömungsgebiet
Modellierung der Verbrennung und Turbulenz Schmid et al. Verbrennungsmodell der Fortschrittsvariable Θ = Θ Θ + Θ S x D x x u t i t i i i ) (ρ ρ ( ) ( ) u t l Da k S k S ρ ε Θ Θ + + = Θ 1 1 3 2 4.96 2 4 1/ 2 + Transportgleichung für Mischungsbruch φ Feinstrukturmodell von Stolz (HPF-Smagorinsky) verwendet
Netzgenerierung und Modellierung Es wurden 16 Netze in verschiedenen Positionen generiert. Das aktuelle Netz wird in Sparc durch Interpolation berechnet
Animation des Ansaugvorganges Das Benzin-Luftgemisch wird in der Brennraum eingesogen
LES des Einzylindermotors Es wird 12 o vor OT gezündet und anschliessend brennt die turbulente Flamme bis zur Wand Flammenausbreitung im Zylinder Flammenausbreitung in der Symmetrieebene
LES des Einzylindermotors Vergleich der berechneten und gemessenen Zylinderinnendruckes über Kurbelwinkel ist gut Vergleich anderer Größen sind in Vorbereitung gemessener mittlerer Druck berechneter mittlerer Druck Zylinderinnendruck über Kurbelwinkel
LES des Einzylindermotors Der max. Druckes wurde um ca 5% zu hoch vorhergesagt. Grund: Das Verlöschen der Flammenfront an der kalten Wand wird nicht richt simuliert. Flame front in the symmetry plane
Immersed Boundary Methode Die bisherige Netzqualität und Netzgenerierungsdauer ist nicht akzeptable. Die Immersed Boundary Methode wurde in SPARC in strukturierter und unstrukturierter Form implementiert. Randbedingung wird durch Interpolation berechnet. Ein kartesisches Gitter wird automatisch generiert und die nichtbenötigten Kontrollpunkte eliminiert. Rechengeschwindigkeit für das Auto ca. 2 Minuten und 1:20 Minuten für Ottomotor mit einem Prozessor gerechnet.
Zusammenfassung und Ausblick Es wurde eine Berechnung eines gesamten Viertaktzyklus mit LES durchgeführt. Die berechnete Druckverteilung stimmt sehr gut mit der gemessenen überein. Nachweis der Eignung von SPARC für die Berechnung von Otto- und Dieselmotor ist erbracht. Ausblick: Direkteinspritzung in den Zylinder erfordert ein Zweiphasenprogramm zur Simulation der Tropfenzerfall und verdampfung. Einbindung von LADROP des ITS (Dr. Koch) in SPARC ist in Arbeit. Zündung und Flammenverlöschung sollen mit dem REDIM- Verbrennungsmodell von Prof. Maas (ITT) verbessert werden. Netzgenerierungdauer und Netzqualität bei komplexen Geometrien wird mit der Immersed Boundary Method stark verbessert werden. Vergleich mit Messung am IFKM (Prof. Spicher) werden durchgeführt.