Selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden in Kraftfahrzeugen ...
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5 Spray/Wand-Interaktion hierfür ist die genaue Kenntnis der Druckabhängigkeit der Siedetemperatur und somit die Einsetzbarkeit bei höheren Drücken in der motorischen Gemischbildung, ein Hauptfokus in den bisherigen Untersuchungen der Tropfen/Wand-Wechselwirkung. Soweit nicht anders angegeben, werden obige Kennzahlen jeweils mit der wandnormalen Geschwindigkeitskomponente gebildet. 5.2 Modellierung der Spray/Wand-Interaktion In den meisten technisch relevanten Fragestellungen, wie z.B. der motorischen Gemischbildung oder der Dosierung von HWL, sind die physikalischen Prozesse beim Tropfen/Wand-Kontakt äußerst vielfältig. Neben den oben beschriebenen Einflussgrößen kommen noch stochastische Effekte hinzu, die durch kleinste Störungen im Tropfen oder an der Oberfläche induziert werden. Mit direkter numerischer Simulation lassen sich heutzutage einzelne Fragestellungen bereits zufriedenstellend lösen, siehe z.B. Karl et al. [54], Karl [53] oder Maichle et al. [76]. Für die Berechnung von Sprühstrahlen mit einer Vielzahl von Einzeltropfen sind diese Methoden aufgrund des hohen numerischen Aufwandes nicht einsetzbar. Für Sprayanwendungen wurden deshalb in der Vergangenheit statistische Modelle zur Beschreibung des Wandkontakts in der Literatur vorgestellt, die auf empirischen oder semi-empirischen Korrelationen aufbauen, z.B. Naber und Reitz [85], Bai und Gosman [11], Stanton und Rutland [113, 114] und Mundo et al. [83]. Die Anforderungen an die Modellierung der Spray/Wand-Wechselwirkung lassen sich in zwei Abschnitte unterteilen: 1. Bestimmung des vorliegenden Regimes 2. Bestimmung der sekundären Tropfeneigenschaften Im Falle von Tropfenzerfall müssen die sekundäre Tropfenmasse, die Tropfengröße und -geschwindigkeit sowie der Austrittswinkel β und die seitliche Ablenkung Ψ bestimmt werden, siehe Abbildung 5.1. Erst in den letzten Jahren wurden - maßgeblich bedingt durch die Entwicklung direkteinspritzender Brennverfahren - Modelle entwickelt, die auch den Einfluss einer erhöhten Wandtemperatur explizit berücksichtigen, z.B. Senda et al. [107], Ashida et al. [8] oder Kuhnke [68]. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Spray/Wand- 60
Wand 5.2 Modellierung der Spray/Wand-Interaktion Primärtropfen sekundäre Tropfen � � � abgelagertes Fluid Abbildung 5.1: Tropfenaufprall auf eine Wand Interaktionsmodell für HWL entwickelt, das auf die Modellierung von Kuhnke [68] zurückgreift. 5.2.1 Spray/Wand-Interaktionsmodell von Kuhnke [68] Das Modell wurde von Kuhnke innerhalb des Europäischen Projekts Droplet Wall Interaction Phenomena of Relevance to Direct Injection Gasoline Engines, DWDIE [36], aufgestellt. Ein Schwerpunkt des Projekts war, die Tropfen/Wand-Wechselwirkung bei erhöhten Wandtemperaturen zu untersuchen. Es wurden zahlreiche Versuche an Einzeltropfen und Tropfenketten sowie an mono- und polydispersen Sprays für unterschiedliche Wandrauigkeiten und Auftreffwinkel durchgeführt. Als Fluid wurden Isooktan, eine Wasser-Glycerin-Mischung und eine Kochsalz-Ethanol-Lösung verwendet. Die Tropfengrößen lagen zwischen 50 µm und 4600 µm. 5.2.1.1 Regimeabgrenzung Kuhnke verwendet in seiner Modellierung die Kenngröße K zur Beschreibung der Regimegrenzen. Er stellt aus den umfangreichen Messdaten des DWDIE-Projekts und Literaturdaten die in Abbildung 5.2 dargestellte Einteilung in die Regime Deposition, Splash, Rebound und Breakup auf, wobei die kritische K-Zahl, Kcrit, variiert. Die kriti- sche Grenztemperatur wird bei T ∗ crit = 1.1 angenommen. Unterhalb dieser Temperatur lagert sich Fluid an der Wand ab. Abbildung 5.3 veranschaulicht die Zerfallsgrenze in Abhängigkeit von der Wandtemperatur und der Rauigkeit für die trockene Wand bei einem Auftreffwinkel von α =90◦ . Unterhalb der Siedetemperatur nimmt Kcrit mit steigender Wandtemperatur und abnehmender Rauigkeit zu. Bei heißer Wand (T ∗ > 1.1) variiert Kcrit zwischen 20 (Auf- 61
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Primärtropfen sekundäre Tropfen<br />
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abgelagertes Fluid<br />
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Interaktionsmodell für HWL entwickelt, das auf die Modellierung <strong>von</strong> Kuhnke [68]<br />
zurückgreift.<br />
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Das Modell wurde <strong>von</strong> Kuhnke <strong>in</strong>nerhalb des Europäischen Projekts Droplet Wall Interaction<br />
Phenomena of Relevance to Direct Injection Gasol<strong>in</strong>e Eng<strong>in</strong>es, DWDIE [36],<br />
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bei erhöhten Wandtemperaturen zu untersuchen. Es wurden zahlreiche Versuche an<br />
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Wandrauigkeiten und Auftreffw<strong>in</strong>kel durchgeführt. Als Fluid wurden Isooktan,<br />
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Die Tropfengrößen lagen zwischen 50 µm und 4600 µm.<br />
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Kuhnke verwendet <strong>in</strong> se<strong>in</strong>er Modellierung die Kenngröße K zur Beschreibung der Regimegrenzen.<br />
Er stellt aus den umfangreichen Messdaten des DWDIE-Projekts und<br />
Literaturdaten die <strong>in</strong> Abbildung 5.2 dargestellte E<strong>in</strong>teilung <strong>in</strong> die Regime Deposition,<br />
Splash, Rebound und Breakup auf, wobei die kritische K-Zahl, Kcrit, variiert. Die kriti-<br />
sche Grenztemperatur wird bei T ∗ crit = 1.1 angenommen. Unterhalb dieser Temperatur<br />
lagert sich Fluid an der Wand ab.<br />
Abbildung 5.3 veranschaulicht die Zerfallsgrenze <strong>in</strong> Abhängigkeit <strong>von</strong> der Wandtemperatur<br />
und der Rauigkeit für die trockene Wand bei e<strong>in</strong>em Auftreffw<strong>in</strong>kel <strong>von</strong> α =90◦ .<br />
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