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Simulation der Zylinderinnenströmung eines Zweiventil-Dieselmotors mit einem skalenauflösenden Turbulenzmodell

Brußies, Eva :
Simulation der Zylinderinnenströmung eines Zweiventil-Dieselmotors mit einem skalenauflösenden Turbulenzmodell.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Simulation der Zylinderinnenströmung eines Zweiventil-Dieselmotors mit einem skalenauflösenden Turbulenzmodell
Language: German
Abstract:

Die Luftströmung im Brennraum eines Dieselmotors zum Zeitpunkt der Einspritzung hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Gemischbildung, Verbrennung und letztendlich auf die entstehenden Emissionen. Experimentelle Methoden und numerische Strömungssimulation (CFD) bieten die Möglichkeit, die auftretenden Strömungsphänomene zu untersuchen und zu verstehen. In der CFD ermöglicht die Large Eddy Simulation (LES) als ein skalenauflösendes Turbulenzmodell die Abbildung von instantanen und lokalen Strömungsstrukturen und von Zyklusschwankungen. In dieser Arbeit wird die LES für die Berechnung der Zylinderinnenströmung eines realistischen Zweiventil-Dieselmotors angewendet und die Ergebnisse anhand experimenteller Daten validiert. Zusätzlich wird die Anwendung im industriellen Umfeld, insbesondere im Vergleich zur etablierten RANS-Methode, bewertet. Für die Validierung steht eine umfassende Datenbasis aus HS-PIV-Untersuchungen bestehend aus zeitlich hoch aufgelösten Geschwindigkeitsvektorfeldern in horizontalen und vertikalen Messebenen zur Verfügung. Um die Vergleichbarkeit zu den experimentellen Untersuchungen am Motorprüfstand zu gewährleisten, wurden die für die Simulation notwendigen Geometrie- und Randbedingungen in enger Abstimmung mit dem Experiment definiert.

Die Simulationen wurden mit dem kommerziellen CFD-Löser ANSYS CFX auf einem Hochleistungsrechner durchgeführt. Dabei wurde ein hochwertiges blockstrukturiertes Hexaedergitter verwendet. Im Rahmen der Arbeit wurde ein Algorithmus entwickelt, der es ermöglicht, die bewegte Motorgeometrie während der Rechnung anhand bestimmter Qualitätskriterien automatisiert neu zu vernetzen. Für eine rechenzeitreduzierte Berechnung mehrerer LES-Zyklen, die für die statistische Auswertung notwendig sind, wurde die Zyklenreihenparallelisierung verwendet.

Zu den charakteristischen Strömungen des Zweiventil-Dieselmotors gehören die Einlassströmung mit den sehr hohen Geschwindigkeiten und Fluktuationen und die sich in der Kompressionsphase ausbildende Drallströmung. Gegen Ende der Kompressionsphase führt die Quetschspaltströmung zu einer Erhöhung des Turbulenzgrades in der Mulde. Mit der LES können diese Strömungen und instantane und lokale Strömungsfluktuationen zusammen mit der daraus resultierenden mittleren turbulenten kinetischen Energie, insbesondere in der Kompressionsphase, gut wiedergegeben werden. Auch zyklische Schwankungen, z.B. charakterisiert durch die Variation des Drallzentrums, werden im Vergleich zum Experiment sehr gut abgebildet.

Die Anwendung der LES für die Berechnung der Zylinderinnenströmung ist im industriellen Umfeld prinzipiell möglich und ermöglicht die gewünschte Abbildung der kleinskaligen Strömungen und Zyklusschwankungen. Gemittelte Werte werden sowohl von LES als auch von RANS im Vergleich zum Experiment richtig wiedergegeben. Allerdings ist für die LES ein gegenüber der RANS-Simulation deutlich erhöhter Ressourcenaufwand in allen drei Phasen vor, während, und nach der Rechnung notwendig.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The cylinder charge motion of a diesel engine at the time of injection influences to a significant degree the mixture formation and combustion and consequentially the resulting emissions. Experimental methods as well as computational fluid dynamics (CFD) can be used to investigate the occurring flow phenomena. The Large Eddy Simulation (LES) as a scale resolving turbulence model allows to resolve instantaneous and local flow structures as well as cyclic variations. LES is used in this thesis to simulate the in-cylinder flow of a realistic two-valve diesel engine. The LES results are validated using experimental data. In addition, the application of LES in an industrial environment is assessed, especially with regards to a systematic comparison to more established Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) methods. For validation purposes, a comprehensive experimental High-Speed PIV data basis composed of high-resolution – both in time and space – velocity vector fields is available. To ensure comparability of simulation results to experimental data, the simulation boundary conditions and geometry are defined to match the experimental engine investigations as closely as possible. The simulation was carried out using the commercial CFD solver ANSYS CFX on a high performance computer cluster. A high quality block structured mesh consisting of hexahedral elements was used. As part of the present work, an algorithm for automated remesh based on mesh quality criteria was developed. This was necessary because of mesh deformation due to the moving parts withing the cosidered engine geometry. To reduce computational time for the simulation of several succesive engine cycles, which are necessary for statistical evaluations of mean flow fields, turbulence and cycle-to-cycle fluctuations, a cycle-parallel approach was used. The inlet flow with very high velocities and fluctuations and the swirl flow which devolopes during the compression stroke are two main characteristic properties of the in-cylinder flow of the two-valve diesel engine. At the end of the compression stroke, the turbulence within the piston bowl increases due to the squish flow. The Large Eddy Simulation is able to reproduce these flow phenomena and the instantaneous and local fluctuations as well as the resulting turbulent kinetic energy, especially during the compression phase. Also cyclic variations, e.g. visible as cycle-to-cycle variations of the swirl center, are predicted in good agreement to experiment. In principle, the application of LES for the simulation of in-cylinder flows in industrial contexts is possible. The desired reproduction of the small scale flow structures as well as the cycle-to-cycle variations is achieved by the LES. Average values are in good agreement to the experiment for both simulation methods – LES as well as RANS. However, in comparisson to RANS, the LES requires significantly more effort and resources for all three stages of the simulation, that are pre-processing, computation and post-processing.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Large Eddy Simulation, LES, Internal Combustion Engine Simulation, ICE, Zylinderinnenströmung, Motorsimulation, PIV
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Energy and Power Plant Technology (EKT)
Date Deposited: 23 May 2014 06:28
Last Modified: 20 Jul 2016 12:50
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-38665
Referees: Janicka, Prof. Johannes and Skoda, Prof. Romuald
Refereed: 23 October 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3866
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