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.