Simulierte Zerstäubung

  • 09. November 2017

3D-Simulationen sollen die Effizienz von Triebwerken steigern helfen.

Moderne Verkehrs­flugzeuge kommen schon mit weniger als drei Litern Treibstoff pro 100 Kilometer und Passa­gier aus. Diesen Wert wollen Wissen­schaftler am Karlsruher Institut für Tech­nologie (KIT) im Univer­sity Techno­logy Centre von Rolls-Royce noch weiter verbessern. Zudem wollen sie den Verbrennungs­prozess so optimieren, dass deutlich weniger Abgase entstehen. Dafür nutzen sie Super­rechner und Simulations­methoden, die sonst bei Tsunami-Berech­nungen oder für Wasser-Effekte in Computer­spielen einge­setzt werden.

Abb.: Zerstäubung des Kerosins im Experiment: Ziel der Simulationen ist es, die optimale Tropfenverteilung zu berechnen. (Bild: KIT)

Abb.: Zerstäubung des Kerosins im Experiment: Ziel der Simulationen ist es, die optimale Tropfenverteilung zu berechnen. (Bild: KIT)

Um beim Fliegen weniger Schad­stoffe wie Ruß oder Stickoxide zu produ­zieren, reiche es nicht, den Verbrauch zu redu­zieren, stellt Rainer Koch, Abteilungs­leiter Brennkammer­entwicklung am Institut für Thermische Strömungs­maschinen ITS, klar. Vielmehr sei es dafür notwendig, die Ver­brennung selbst zu verbessern. Für das Ziel, Umwelt­freundlich­keit, Zuver­lässigkeit und Wirt­schaftlich­keit von Flugtrieb­werken immer weiter zu steigern, kooperieren die Forscher inner­halb eines Univer­sity Tech­nology Centres (UTC) seit nun genau zehn Jahren mit dem Triebwerk­hersteller. Das Vorhaben ist kein leichtes Unter­fangen: Denn allein den Verbrennungs­prozess zu beobachten, ist bei einer Maschine, in der anders als beim Kolben­motor alle vier Takte – Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen – gleich­zeitig und ununter­brochen ablaufen, in die permanent ein Luftstrom mit 300 Metern pro Sekunde strömt und in der dazu Tempera­turen deutlich über dem Schmelz­punkt der verbauten Materia­lien herrschen, alles andere als einfach. Entsprechend teuer und komplex sind experi­mentelle Unter­suchungen von Kraftstoff­einspritzung, Schadstoff­bildung und Vermeidung.

Um diese Frage­stellung anzugehen, haben Koch und sein Team einen virtuellen Düsen­prüfstand entwickelt, mit dem sich mittels nume­rischer Verfahren die Schadstoff­bildung in der Brenn­kammer vorhersagen lässt. Damit können die Inge­nieure Größe, Form, Flugbahn und Dynamik von Aber­millionen winzigster Kerosin­tröpfchen berechnen und visua­lisieren. Ursprünglich diente die Methode Astro­physikern, um Explo­sionen ganzer Galaxien zu berechnen. Später kamen die Simu­lation von Tsunamis und visuelle Effekte in Filmen und Video­spielen hinzu. „Wir haben dann gesagt, das machen wir jetzt für die Kraftstoff­zerstäubung“, so Koch.

Dazu füttere man den Super­computer mit den technischen Daten der Einspritz­düse, erklärt Thilo Dauch, wissen­schaftlicher Mitarbeiter am ITS. Diese wird dafür zunächst am Computer in kleinste Bereiche aufgeteilt, Volumen­elemente genannt. 1,2 Milliarden dieser Volumen­elemente nehme man dabei in den Blick, in Industrie und Forschung sind sonst eine Million bis 100 Millionen üblich. Ebenso beein­druckend ist auch die Daten­menge: 60 Terabyte Daten generiert das Programm aus einem Testlauf. Nach etwa einem Monat liegt das Ergebnis vor. „Mit einem herkömm­lichen PC bräuchten sie dafür 72 Jahre“, so Dauch. Der Aufwand lohnt: „Ein Triebwerk kostet zwischen 5 und 20 Millionen, ein Tag auf dem Triebwerks­prüfstand kostet mehrere 10 000 Euro.

„Wir können auch direkt in die Brenn­kammer hinein­schauen“, sagt Koch. In der 3D-Simulation können die Forscher verfolgen, wie der Kraftstoff zunächst Lasso-artige Schlieren bildet, welche sich zu Blasen formen, die dann zer­platzen und in vielgestaltige Tropfen auseinander­stieben. Ein faszi­nierendes Schauspiel, das bei der Suche nach dem nach Form und Größe passends­ten Tropfen aber prak­tischen Nutzen hat. Durch den optischen Eindruck können die Forscher die Berech­nungen überprüfen und auch ein tieferes Verständnis für das Geschehen in der Brenn­kammer entwickeln. „Wir haben die Einspritz­düse schon ent­scheidend verbessern können“, betont Koch. „Und es geht noch weiter“. In Zukunft wollen die Wissen­schaftler ihre Methode auf weitere Anwendungs­gebiete ausweiten.

KIT / JOL

Share |

Newsletter

Haben Sie Interesse am kostenlosen wöchentlichen oder monatlichen pro-physik.de-Newsletter? Zum Abonnement geht es hier.

COMSOL NEWS 2018

COMSOL Days

Lesen Sie, wie Ingenieure in einer Vielzahl von Branchen präzise digitale Prototypen erstellen, um die Grenzen der Technologie zu überschreiten und den Bedarf an physischen Prototypen zu reduzieren, sowie Simulationsanwendungen zu erstellen, mit denen Kollegen und Kunden weltweit neue Ideen testen können.

comsol.de/c/7bzn

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer