Simulation der vorgemischten Verbrennung in einem realen Motor mit dem Level-Set-Ansatz

Abstract

Zielsetzung der Dissertation war die Erarbeitung eines konsistenten RANS-Modellansatzes für die ottomotorische vorgemischte Verbrennung und deren Validierung an einem Einzylinder-Ottomotor. Als Vergleichsbasis dienten die bisher eingesetzen ECFM- und Weller-Modelle. Das hier betrachtete G-Gleichungsmodell beschreibt zunächst die Ausbreitung einer unendlich dünnen Flamme. Durch Einführung zusätzlicher Eigenschaften wie z.B. der Flammendicke kann die Gültigkeit des Modells in den 3D-Raum erweitert werden. Es wurde gezeigt, dass der Transport dieser Eigenschaften konsistent zu der Ausbreitung der Flamme selbst erfolgen muss. Eine große Schwierigkeit bei der Modellierung stellt die Interaktion von Verbrennung und Turbulenz dar. Die Rückkopplung über die turbulente Brenngeschwindigkeit kann zu einer numerischen Selbstbeschleunigung der Flamme führen, die unbedingt vermieden werden muss. Es wurde gezeigt, dass dies eine zweite Turbulenzgleichung für das unverbrannte Gemisch erfüllen kann. Alternativ dazu wurde eine Methodik zur genaueren Berechnung der Turbulenzproduktion in der Flamme eingeführt. Durch die Rekonstruktion beider Phasen-verbrannt und unverbrannt-können die Beiträge mit Hilfe der Sprungbedingungen an der Flammenfront separat berechnet werden, so dass der künstliche Produktionsterm aus der Überlagerung beider Phasen beseitigt wird.

The simulation of premixed combustion in a spark ignition engine with the level set method (G-equation) is the main part of this work. Additionally alternative combustion models, namely ECFM and Weller one equation, were taken as basis of comparison. The G-equation describes the propagation of a 2d flame surface, but can be extended into 3d space by introducing additional properties like a flame thickness. It was shown, that the propagation of these additional properties has to be consistent to the flame surface, which leads to restrictions of the corresponding equations. One difficulty of simulating combustion is the interaction of turbulence and combustion. The feedback via turbulent flame speed can lead to numerical self acceleration of the flame, which can be avoided by introducing additional turbulence equations for the unburnt gas. Alternatively a method was introduced which calculates the turbulence production terms seperately for the burnt and unburnt gas by utilizing the Hugoniot jump conditions at the flame front. This avoids the generation of artificial turbulence in the partially burnt gas.