Towards Multi-Cycle Simulation of In-Cylinder Flow and Combustion

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Zur Erf¨ullung zuk¨unftiger Anforderungen hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Emis-
sionen werden direkteinspritzende Ottomotoren (DISI – Direct Injection Spark Igni-
tion) in Kombination mit Turboaufladung als vielversprechendes Motorenkonzept gese-
hen. Zyklische Schwankungen stellen eine entscheidende Herausforderung bei diesem
Brennverfahren dar und spielen eine Schl¨usselrolle bei der Optimierung der Verbren-
nungsprozesses.
Die Modellierung der Str¨omungs- und Verbrennungsvorg¨ange mittels numerischer
Str¨omungssimulation in Kombination mit statistischer Turbulenzmodellierung (RANS –
Reynolds Averaged Navier-Stokes) stellt ein leistungsf¨ahiges und zuverl¨assiges Werkzeug
in der Rahmen der Motorenentwickung dar. Basierend auf gemittelten Gr¨oßen kann
dieser Ansatz per Definition instation¨are Ph¨anomene wie zyklische Schwankungen nicht
beschreiben. Die Grobstruktursimulation oder Large Eddy Simulation (LES) bietet die
M¨oglichkeit, turbulente Strukturen und zeitliche Schwankungen aufl¨osen, und somit zyk-
lisches Schwankungen in der Simulation abzubilden. Aufgrund der hohen Anforderungen
an die Numerik, Diskretisierung, Gitteraufl¨osung und Zeitschrittgr¨oße ist der Berech-
nungsaufwand und Zeitbedarf bei dieser Methodik deutlich erh¨oht. Die Kombination
beider Modellierungsans¨atze f¨uhrt zu hybriden RANS/LES-Modellen.
Gegenstand der Arbeit ist die Entwicklung eines hybriden Zwei-Skalen-
Turbulenzmodells zur Beschreibung zyklischer Schwankungen sowie die Demonstration
der Realisierbarkeit der Kopplung des Modelles an das G-Gleichungsmodell zur Beschrei-
bung der vorgemischten Verbrennung. Im Kapitel 2 werden die Grundgleichungen
turbulenter Str¨omungen vorgestellt. Kapitel 3 diskutiert die verschiedenen Ans¨atze zur
Turbulenzmodellierung sowie das Zwei-Skalen-Modell. In Kapitel 4 wird ein ¨Uberblick
¨uber die Modellierung der vorgemischten Verbrennung f¨ur RANS und LES gegeben.
Die Numerik des verwendeten Str¨omungsl¨osers AC-FluXwird in Kapitel 5 vorgestellt.
Die entwickelten Modelle und Methoden werden in Kapital 6 anhand von elementaren
Testf¨allen analysiert und auf die Simulation von zwei Modellmotorkonfigurationen
angewandt; abschließend wird die Kopplung des hybriden Turbulenzmodelles mit der
G-Gleichung analysiert und bewertet.