Selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden in Kraftfahrzeugen ...
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4 Spray berücksichtigt die Konzentrationsänderung durch die Tropfen- und Filmverdunstung sowie durch chemische Reaktionen. Der turbulente Stoffstrom, ρu ′ i Yj, wird mit Hilfe der turbulenten Schmidt-Zahl Sct beschrieben. 4.1.2 Tropfenphase Für die Berechnung von Sprays haben sich in der Literatur zwei Verfahren durchgesetzt, welche sich hauptsächlich in der Betrachtung der Tropfenphase unterscheiden. Beim Euler-Euler-Ansatz wird die flüssige Phase analog zur Gasphase als Kontinuum betrachtet [120]. Für unterschiedliche Startbedingungen hinsichtlich Tropfendurchmesser und Bewegungsrichtung müssen verschiedene Kontinua definiert werden, wobei für jedes die Erhaltungsgleichungen zu lösen sind. Dies führt zu einem hohen Speicherplatzbedarf und Rechenaufwand. Daneben erfordert z.B. die Beschreibung des Turbulenzeinflusses auf die Tropfenausbreitung und die Vermeidung von numerischer Diffusion bei der Tropfenausbreitung aufwändige Modelle, die teilweise noch nicht allgemein gültig sind. Deshalb spielt der Euler-Euler-Ansatz bei der Berechnung realer Sprays derzeit noch eine untergeordnete Rolle. Beim Euler-Lagrange-Verfahren wird die Tropfenphase getrennt von der Gasphase berechnet [9, 35]. Dabei wird die Gasphase mit einem Euler-Verfahren beschrieben, wobei die Ausdehnung der Tropfen vernachlässigt wird. Die Berechnung der Tropfenbewegung basiert auf der Lagrangeschen Betrachtungsweise eines mitbewegten Bezugssystems, siehe Abschnitt 3.1. Die Kopplung zwischen Tropfenphase und Gasphase erfolgt über Quellterme für Impuls, Masse und Energie. Für deren Berechnung wird von einer idealisierten, eindimensionalen Gasumgebung der Tropfen ausgegangen. In FIRE [9] wird zur Berechnung von Sprays die Discrete Droplet Method (DDM) von Dukowicz [35] verwendet. Hierbei werden die Gleichungen für den Impuls und den Wärme- und Stoffübergang für ein einzelnes Tropfenpaket - auch Parcel genannt -gelöst. Ein Parcel besteht aus Tropfen mit identischen Eigenschaften, welche sich gegenseitig nicht beeinflussen. Der Effekt der Turbulenz auf die Tropfenflugbahn wird mit dem stochastischen Modell von Gosman und Ioannides [45] beschrieben. Zwischen Tropfen und Gasphase besteht eine gegenseitige Kopplung (two-way coupling) für Impuls- sowie Wärme- und Stoffübergang. Die Rückwirkung des Sprays auf die turbulente kinetische Energie und die Dissipationsrate wird vernachlässigt (one-way coupling). 50
4.2 Sprayabgleich 4.2 Sprayabgleich Um den Einfluss der Sprayeigenschaften, der Dosierstelle, der Abgasanlagengeometrie sowie der Betriebsbedingungen auf die Aufbereitung des Reduktionsmittels beurteilen zu können, sind abgesicherte Sprayparameter als Randbedingung für die CFD- Simulation zwingend notwendig. In dieser Arbeit wird ein Drallventil eingesetzt, bei welchem die Tropfen durch Lamellenzerfall entstehen und ein Hohlkegelspray erzeugen, siehe Abbildung 4.1. Die Versetzung zwischen Spray- und Ventilachse (γ-Winkel) beträgt 14◦ , der statische Durchfluss beträgt 9.3 kg/h. Der jeweilige Massenstrom wird über die relative Ansteuerzeit, das Tastverhältnis, dargestellt. Die Funktionsweise eines Drallventils ist z.B. in Lefebvre [73] ausführlich beschrieben. Die nächsten Abschnitte beschreiben die Bestimmung und Ventilnadel Drallkammer Ventilkörper Spritzloch Hohlkegel � Lamelle Abbildung 4.1: Schematische Darstellung eines Drallventils mit γ-Winkel Absicherung der Sprayparameter in der Simulation für eine ruhende Umgebung und die Übertragung auf den Fall einer seitlichen Anströmung unter erhöhten Temperaturen. Die Messungen zur Tropfengröße und -geschwindigkeit mittels Phasen-Doppler- Anemometrie (PDA) wurden im Auftrag der Robert Bosch GmbH am Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung (WSA) der RWTH Aachen durchgeführt. Die übrigen experimentellen Ergebnisse sind der Arbeit von Schwarzenberg [106] entnommen. 4.2.1 Spray in ruhender Umgebung Das Berechnungsgebiet besteht aus einem Kegelstumpf mit 120 mm Höhe und 40 bzw. 180 mm Durchmesser. Im düsennahen Bereich ist die Gitterweite ca. 1 mm. 51
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4.2 Sprayabgleich<br />
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Um den E<strong>in</strong>fluss der Sprayeigenschaften, der Dosierstelle, der Abgasanlagengeometrie<br />
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In dieser Arbeit wird e<strong>in</strong> Drallventil e<strong>in</strong>gesetzt, bei welchem die Tropfen durch Lamellenzerfall<br />
entstehen und e<strong>in</strong> Hohlkegelspray erzeugen, siehe Abbildung 4.1. Die Versetzung<br />
zwischen Spray- und Ventilachse (γ-W<strong>in</strong>kel) beträgt 14◦ , der statische Durchfluss<br />
beträgt 9.3 kg/h. Der jeweilige Massenstrom wird über die relative Ansteuerzeit, das<br />
Tastverhältnis, dargestellt. Die Funktionsweise e<strong>in</strong>es Drallventils ist z.B. <strong>in</strong> Lefebvre<br />
[73] ausführlich beschrieben. Die nächsten Abschnitte beschreiben die Bestimmung und<br />
Ventilnadel<br />
Drallkammer<br />
Ventilkörper<br />
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Hohlkegel<br />
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Lamelle<br />
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Absicherung der Sprayparameter <strong>in</strong> der Simulation für e<strong>in</strong>e ruhende Umgebung und<br />
die Übertragung auf den Fall e<strong>in</strong>er seitlichen Anströmung unter erhöhten Temperaturen.<br />
Die Messungen zur Tropfengröße und -geschw<strong>in</strong>digkeit mittels Phasen-Doppler-<br />
Anemometrie (PDA) wurden im Auftrag der Robert Bosch GmbH am Lehrstuhl für<br />
Wärme- und Stoffübertragung (WSA) der RWTH Aachen durchgeführt. Die übrigen<br />
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4.2.1 Spray <strong>in</strong> ruhender Umgebung<br />
Das Berechnungsgebiet besteht aus e<strong>in</strong>em Kegelstumpf mit 120 mm Höhe und 40<br />
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