Large-Eddy Simulation kavitierender turbulenter Strömungen in Kraftstoff-Einspritzdüsen
Final Report Abstract
Im Forschungsvorhaben wurde ein Verfahren zur Large Eddy Simulation (LES) kompressibler und viskoser Prozesse in kavitierenden Strömungen realer Kraftstoffinjektoren weiterentwickelt und auf akademische Testfälle (ebene Mischungsschicht) und anwendungsnahe Referenz-Geometrien (BSDD) angewandt. Es konnte gezeigt werden, dass der homogene Mischungsansatz auch für Fälle mit ausgeprägter Interaktion von Phasenwechsel und Turbulenz erfolgreich eingesetzt werden kann. Das implizite Large Eddy Simulationsverfahren ALDM musste aus Stabilitätsgründen leicht angepasst werden, indem eine zusätzliche Regularisierung an Grenzbereichen zwischen reiner Flüssigkeit und gesättigter Mischung eingeführt wurde. Die dazu erforderlichen numerischen Untersuchungen haben im Nachgang zur Neuentwicklung einer LES-Methode geführt, die gegenüber der Basismethode ALDM einen kompakteren Träger besitzt (es werden nur 2 anstelle von 3 „ghost-cells“ benötigt). Diese Methode lässt sich in zahlreiche kommerzielle und akademische Strömungssimulationsprogramme implementieren. Die im Projekt durchgeführten Large Eddy Simulationen von kavitierenden Strömungen durch eine vom Kooperationspartner definierte Planardrossel haben international Anerkennung erlangt und zum Verständnis der komplexen Wechselwirkung von turbulenten Strukturen und Dampfbildung beigetragen. Es konnten sowohl der experimentell ermittelte Schädigungsbefund durch Kavitationserosion als auch die vom Gegendruck abhängige Strömungsdynamik numerisch dargestellt und erklärt werden. Insbesondere konnte aufgezeigt werden, dass die Transition von essentiell laminar zu ausgeprägt turbulent bei stark kavitierenden Betriebspunkten erst sehr spät in der Drossel oder gar im Nachlauf erfolgt. Diese Beobachtung ist von Bedeutung, wenn vergleichbare Strömungssituationen mit Modellen vorhergesagt werden sollen, die Transition nicht widergeben können (etwa wenn instationäre RANS Methoden ohne Transitionsmodell zu Einsatz kommen). Durch den Einsatz eines effizienten barotropen Zustandsgesetzes sowie eines vollthermodynamischen Modells mit höherer Komplexität konnte gezeigt werden, dass eine Vielzahl von Strömungen nur geringe Sensitivität hinsichtlich der thermodynamischen Modellierung aufweisen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn nur mit einer geringen Entropiezunahme zu rechnen ist. Da vollthermodynamische Beschreibungen für Prüföle oder Realkraftstoffe oftmals nicht verfügbar sind, bietet sich die barotrope Beschreibung als Alternative an. Strömungsprozesse, die jedoch eine Wärmezufuhr oder viskos dominierte Bereiche (Spaltströmungen) aufweisen, werden durch eine barotrope Beschreibung vermutlich nicht hinreichend präzise beschrieben. Detailuntersuchungen zu beiden Fragestellungen waren in diesem Forschungsvorhaben nicht möglich, da die Referenzexperimente diese Phänomene nicht beinhalten. Die Modellierung der Gasfreisetzung in Kombination mit der lokalen Verdampfung konnte im Forschungsvorhaben durch Ansätze unterschiedlicher Komplexität (0 bis 3 zusätzliche Transportgleichungen) realisiert werden. Vergleiche zu Experimenten waren nur phänomenologisch durchführbar, da experimentelle Daten bis zum Projektende nicht im erforderlichen Umfang vorlagen. Die Projektziele sind trotz einiger unerwarteter Hardwareprobleme bis auf kleinere Abweichungen vollständig erreicht worden.
Publications
- High-resolution numerical method for compressible large-eddy simulation of cavitating liquid flows. 11th World Congress on Computational Mechanics, July 20-25, 2014, Barcelona
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- Large-eddy simulation of turbulent cavitating flow in a micro channel. Physics of Fluids (26, 085102), 2014
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(See online at https://doi.org/10.1063/1.4891325) - Subgrid-scale modeling for implicit large eddy simulation of compressible flows and shock-turbulence interaction. Physics of Fluids (26, 106101), 2014
Egerer, C.P; Hickel, S.; Larsson, J.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4898641) - LES of temporally evolving turbulent cavitating shear layers. In: High Performance Computing in Science and Engineering ‘14. Springer International Publishing, 2015, Pages 367-378
Egerer, C.; Hickel, S., Schmidt, S.; Adams, N.A.
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-319-10810-0_25) - Efficient implicit LES method for the simulation of turbulent cavitating flows. Journal of Computational Physics, Volume 316, 2016, pp. 453-469
Egerer, C.P.; Schmidt, S.J.; Hickel, S.; Adams, N.A.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jcp.2016.04.021) - Large-Eddy Simulation of Turbulent Cavitating Flows. Diss., Technische Universität München, Fakultät für Maschinenwesen
Egerer, C.P.
- Large-Eddy Simulation of turbulent, cavitating fuel flow inside a 9-hole Diesel injector including needle movement. International Journal of Engine Research 18 (3), 2017, pp. 195-211
Örley, F.; Hickel, S.; Schmidt, S.J.; Adams, N.A.
(See online at https://doi.org/10.1177/1468087416643901)
