Zerstäubung mehrskalig simulieren

Die Strömung von Flüssigkeiten und Gasen spielt in zahlreichen Prozessen eine entscheidende Rolle. Ein Beispiel ist die Benzin- und Dieseleinspritzung in Verbrennungsmotoren, welche maßgeblich die Bildung von umweltbelastenden Stickoxiden und Ruß beeinflusst. Ingenieure und Produktentwickler forschen daher ständig nach der optimalen Strömung für bestimmte Anwendungen.

Stand der Technik

Computergestützte Simulationen solcher Strömungen unterstützen diese Entwicklungsarbeit erheblich. Gegenwärtig werden dazu vorwiegend gitterbasierte Simulationsverfahren eingesetzt, bei denen die Phasen – flüssige oder gasförmige Materialien – als Volumenanteile in Gitterstrukturen abgebildet werden. Bei komplexen Problemstellungen, wie beispielsweise der Kraftstoffeinspritzung, muss das Gitter mit Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas mitbewegt werden, wodurch eine enorme Rechenleistung nötig ist. Bei technisch relevanten Mehrphasenströmungen stößt diese Methodik an ihre Grenzen.

Technologie

Einen erweiterten Ansatz wählen Wissenschaftler des Instituts für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) am KIT. Sie haben eine Simulationsmethode entwickelt, die auf dem numerischen Verfahren „Smoothed Particle Hydrodynamics“ (SPH) basiert, zu Deutsch geglättete Partikel-Hydrodynamik. Hierbei werden Fluide und Gase in Massepakete – genannt Partikel – aufgeteilt, die sich gemäß den Gesetzen der Strömungsmechanik bewegen. Durch Bewegung und Interaktion einzelner Partikel können Strömungsfelder realitätsgetreu simuliert werden. Aufgrund der „Gitterfreiheit“ lassen sich komplizierte Berandungen und Grenzflächen, die einer starken Deformation ausgesetzt sind, einfach realisieren. Derzeit wird die Methode zur Simulation und Optimierung von Einspritzdüsen in Flugtriebwerken eingesetzt.

Vorteile

Basierend auf diesem Ansatz wurde ein virtueller Prüfstand entwickelt, der alle wichtigen Schritte der Strömungssimulation umfasst: von der Aufbereitung der CAD-Daten der Einspritzdüse im Preprocessing über die Berechnung der Strömung bis hin zur Visualisierung im Postprocessing. Neben gängigen Animationen sind die Simulationsergebnisse mittels immersiver virtueller Realität auch aus allen möglichen Perspektiven zu betrachten und manipulierbar.

Optionen für Unternehmen

Das KIT sucht Industrieunternehmen, die die SPH-Simulationstechnologie für ihre eigenen, spezifischen Problemstellungen nutzen möchten. Typische Anwendungsfälle sind die Zerstäubung, die Benetzung von Oberflächen mit einer Flüssigkeit (Sprays) und die Interaktion von Flüssigkeiten mit sich bewegenden Bauteilen (Ölschmierung).