Um die steigenden Mobilitäts- und Wohlstandsbedürfnisse der Bevölkerung und den damit einhergehenden Energiebedarf im Verkehrs- und Stromerzeugungssektor zu decken, müssen Lösungen gefunden werden. Dabei sollen die Belastungen für Mensch und Umwelt unter Beibehaltung eines hohen thermischen Wirkungsgrades deutlich reduziert werden. Eine Alternative zu den konventionellen Kraftstoffen Benzin, Diesel und Schweröl ist Erdgas. Hier kann bei gleicher mechanischer Leistung der Ausstoß von CO2, Stickoxiden und Ruß deutlich gesenkt werden. Um einerseits die benötigte Masse an Brennstoff in den Zylinder zu befördern und andererseits den hohen Zylinderdrücken während der Verdichtungs- und Verbrennungsphase entgegen zu wirken, wird der Brennstoff bei der Direkteindüsung im Vergleich zur Saugrohreinblasung unter hohem Druck in die Brennkammer eingeblasen. Obwohl diese Methode in der Industrie schon zur Anwendung kommt, fehlt es jedoch an einem umfassenden Verständnis der einzelnen Phänomene. Die Komplexität der Teilaspekte und die nicht-linearen Stoffeigenschaften des Fluids bei hohen Drücken und/oder niedrigen Temperaturen stellen dabei eine besondere Herausforderung dar. Da die Annahme eines thermisch idealen Gases für die in der Arbeit betrachteten Zustände nicht mehr zulässig ist, wurde auf Basis der kubischen Zustandsgleichung von Soave, Redlich und Kwong eine konsistente Realgasthermodynamik in das quelloffene Softwarepaket von OpenFOAM implementiert. Die mit der Zustandsgleichung berechneten Stoffeigenschaften zeigen dabei eine ausreichend genaue Übereinstimmung mit Werten der CoolProp-Datenbank. Außerdem ist durch die Verwendung der kubischen Form der erhöhte Rechenbedarf in der Strömungssimulation vertretbar. Auftretende Expansionen im Injektor und im Freistrahl kühlen das Fluid ab, wodurch die Sättigungsdampflinie unterschritten wird und ein Phasenzerfall erfolgt. Dieser wird unter der Annahme eines Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichts berücksichtigt. Soll die Kondensation der Gasphase nicht berücksichtigt werden, kann ein einphasiger Ansatz angewandt werden. Um die stark gekoppelten Strömungsgrößen des kompressiblen Prozesses korrekt sowie auftretende Diskontinuitäten exakt und ohne unphysikalische Oszillationen wiederzugeben, wurde ein druckbasierter Strömungslöser in Kooperation mit einem Forschungsinstitut aus Moskau für die Anwendung der Realgasthermodynamik weiterentwickelt. Die Stärke des Lösers ist eine hybride Methode, in der ein Umschalten zwischen dem PISO-Verfahren und dem hochgenauen Verfahren von Kurganov und Tadmor stattfindet. Dadurch eignet sich die Anwendung des Lösers für alle Strömungsgeschwindigkeiten. Zusätzlich wurde zur Simulation des Öffnungsprozesses der Gasnadel eine Netzbewegung implementiert. Der kritische Massenstrom und Impulsfluss sind die für die Eindüsung relevanten Größen, die die Gemischbildung maßgeblich beeinflussen. Eine explizite Berechnung dieser Größen ist nur unter der Annahme des idealen Gasgesetzes möglich, da der zweite, temperaturabhängige Term der kubischen Zustandsgleichung die analytische Bestimmung der Werte verhindert. Auf Grundlage eines mehrdimensionalen Newton-Verfahrens und der bereits vorgestellten Realgasthermodynamik wurde ein Algorithmus entwickelt, der die Strömungsgrößen bei kritischer Düsenströmung im engsten Querschnitt berechnet. Mit einer auf wenige fluidspezifische Modellkonstanten reduzierten Korrelation können diese beiden Größen auch ohne Anwendung des iterativen Algorithmus ermittelt werden. Im letzten Schritt kam die implementierte Thermodynamik zusammen mit dem Strömungslöser zur Anwendung. Es wurden sowohl generische Testfälle als auch anwendungsnahe Hochdruckeindüsungen mit verfügbaren Vergleichsdaten simuliert. Die Ergebnisse der RANS-Simulationen zeigen, dass für eine korrekte Vorhersage der Gemischbildung sowohl die Realgasthermodynamik als auch die Kompressibilitätskorrektur im Turbulenzmodell zwingend erforderlich ist. Der Vergleich mit verfügbaren experimentellen Messdaten zeigt eine sehr gute Übereinstimmung bezüglich der Struktur des Potenzialkerns und die wichtigsten Charakteristiken des Freistrahls werden erfasst. Während die Düsenkontur entscheidend auf die Eindringtiefe und das volumetrische Wachstum Einfluss nimmt, beeinflussen unterschiedliche Gegendrücke die von der ersten Expansion dominierte Strömungsstruktur im Nahfeld der Düse, was sich auch auf das Zweiphasengebiet auswirkt. Eine Variation des Totaldrucks unter Beibehaltung des Druckverhältnisses, eine Veränderung der Totaltemperatur und eine andere Zusammensetzung des Brennstoffs wirken sich unterschiedlich auf die Gemischbildung und die Kondensationsneigung im Potenzialkern aus. Alle Effekte werden physikalisch korrekt von der entwickelten numerischen Methode, bestehend aus dem hybriden Strömungslöser und der konsistenten Realgasthermodynamik mit den inkludierten Phasengleichgewichtsberechnungen, wiedergegeben.    «

Um die steigenden Mobilitäts- und Wohlstandsbedürfnisse der Bevölkerung und den damit einhergehenden Energiebedarf im Verkehrs- und Stromerzeugungssektor zu decken, müssen Lösungen gefunden werden. Dabei sollen die Belastungen für Mensch und Umwelt unter Beibehaltung eines hohen thermischen Wirkungsgrades deutlich reduziert werden. Eine Alternative zu den konventionellen Kraftstoffen Benzin, Diesel und Schweröl ist Erdgas. Hier kann bei gleicher mechanischer Leistung der Ausstoß von CO2, Stickox...    »