Numeerisen analyysin ja laskennallisen tieteen seminaari

28.11.2005  klo 14.15  U356


Martti Larmi, TKK Konetekniikan osasto, Polttomoottoritekniikan vastuualue

Polttoainesuihkun simulointi 3d-virtauslaskentaympäristössä

Moottoritekniikassa polttoainesuihku on keskeisessä osassa palamisen ohjauksen kannalta. Polttoainesuihkun simuloinnin tavoitteena on saada aikaan laskennallisesti oikeanlainen suihku, jotta polttoainehöyryn jakautuminen palotilassa saataisiin ennustettua. Tämä on taas edellytys hyvätasoiselle palamisen laskennalle ja päästöjen muodostumisen ennustamiselle. Polttomoottoritekniikan kehittymisen kannalta laskennalliset menetelmät ovat erittäin tärkeitä, sillä kokeelliset tutkimusmenetelmät ovat usein laskentaa vielä hankalampia toteuttaa. Hyviä tuloksia saadaan kokeellisen ja laskennallisen tutkimuksen vuorovaikutteisella etenemisellä.

Polttoainesuihkua virtauslaskentaympäristössä kuvataan ns. Discrete Droplet -menetelmällä (DDM). Toisin sanoen kyseessä on Lagrange-Euler kuvaus, jossa virtauskenttä ratkaistaan tavalliseen tapaan kontrollitilavuusmentelmällä ja jossa yksittäisiä 'pisarapaketteja' kuvataan Lagrangen lähestymistavalla. Yksittäisiä pisaroita ei ole järkevä seurata, koska pisaroiden kokonaismäärä saattaa suihkussa tulla varsin suureksi (10^9 kpl). Pisarat jaetaan suuttimmella pisarapaketeiksi, joita laskennassa voi olla esim. 100 000 kappaletta. Pisaroiden ja virtauskentän vuorovaikutus on laskennan onnistumisen kannalta oleellista. Liikemäärä siirtyy pisaroista virtauskenttään virtauslaskennan lähdetermien kautta.

Simulointia varten pisaroihin liittyviä fysikaalisia ilmiöitä on mallitettava. Ensisijainen malli on pisaroitumismalli eli se miten pisarat hajoavat pienemmiksi aerodynaamisten voimien aikaansaamina. Pisaran hajoaminen esitetään joko pisaran kokonaismuodonmuutosta tai aallonmuodostusta (Rayleigh-Taylor epästabiilisuus) mallittamalla tai sitten hajoaminen esitetään perustuen pisaroiden pinta-aaltojen kasvuun (Kelvin-Helmholz epästabiilisuus). Erilaisia kokeellisesti todettuja pisaroiden hajoamistapoja pyritään mallituksessa ottamaan huomioon ja jaottelu tapahtuu Weberin luvun mukaan. Weberin luku kuvaa pisaraan vaikuttavien aerodynaamisten voimien ja pintajännitysvoimien suhdetta.

Dieselmoottorin polttoainesuihkuja pystytään nykyään simuloimaan. Suihkun globaalit suureet kuten suihkun tunkema ajan funktiona ja suihkun leviäminen eli suihkun avautumiskulma voidaan malleja sopivasti virittämällä saada kohdalleen. Simuloidun suihkun pisarakoot pitemällä suihkussa vastaavat kokeelliset mitattuja. Keskeisin laskennan kompastuskivi on vielä laskennan verkkoriippuvuus eli simulointitulosten riippuvuus virtauslaskentahilasta. Polttoainesuihkun alkutilanne suuttimella on myös haaste voimakkaasti kavitoivan ja erittäin turbulenttisen suutinvirtauksen johdosta. Suuttimen lähellä suihku on erittäin tiheä, josta käytettyä Lagrange-Euler lähestymistapaa voidaan myös kritisoida.