Simulation

Simulation von Zweitaktern

Was sind die Kernelemente einer Simulation im Kontext von Zweitakter Verbrennungsmotoren?



Arbeitsprozesse


Um ein Simulationsmodell für einen Motor erstellen zu können, sind Kenntnis der Grundlagen
folgender Fachgebiete notwendig:


Thermodynamik
Fluiddynamik
Verbrennungstechnik
Modellierungsmethoden
Im wesentlichen kann das Vorgen beim Modellieren des Systems in folgende Schritte unterteilt werden:


1.) Das System definieren und von seiner Umgebung (Umwelt) abgrenzen. Es werden die relevanten Speicher festgelegt. Die Massenströme und Energieströme zwischen diesen Speichern müssen festgelegt werden.



2.) Bilanzgleichnungen werden nach einem Schema aufgestellt: die zeitliche Änderung des Speichergehalts resultiert aus Summe Zufluß minus Summe Abfluß. (Hier liegt ein Vergleich mit der Knotenpunktregel
nach Kirchhoff aus der Elektrotechnik nahe)



3.) Im dritten Schritt werden die Massenströme und die Energieströme
mittels physikalischer Gesetze beschrieben



4.) Das aus den bisherigen Schritten resultierende Modell muß vereinfacht werden. Dies geschieht durch Vernachlässigung von Nebeneinflüssen.



5.) Simulieren - mittels numerischer Integration



6.) Die Ergebnisse der Simulation müssen validiert werden.
Um die Richtigkeit der errechneten Ergebnisse zu bestimmen ist es notwendig, diese mit experimentell gewonnene Daten zu vergleichen.
Unterumständen muss das erstellte Modell modifiziert werden.


Klassifizierung unterschiedlicher Verbrennungsmodelle


Üblich ist eine Unterteilung der Simulationsmodelle in drei Klassen:
> nulldimensionale thermodynamische Modelle
> phänomenologische Mehr-Zonen-Modelle
> dreidimensionale Modelle (auch: multidimensionale Modelle)



In dieser Reihenfolge nehmen auch die Anforderungen an den Ersteller der Simulation, sowie die Simulations Hardware und Software zu. Insbesodere sind hier die Modelltiefe (Physik), die Komplexität (Mathematik) und der Aufwand (um zu einer Lösung der das Modell beschreibenden Gleichungen zu kommen) zu nennen.



nulldimensionale thermodynamische Modelle
Diese Modelle beschreiben mit Hilfe der Thermodynamik den Brennraum als
einen ideal durchmischten Behälter Eigenschaften: Beschreibung mittels gewöhnlicher Differentialgleichungen der Zeit, nutzt Ersatzbrennverlauf, Wärmeübergangsmodell, kein Strömungsfeld, keine Simulation der Schadstoffbildung



phänomenologische Mehr-Zonen-Modelle
Wird der Brennraum in mehrere Zonen unterteilt, gelangt man zu diesem Modell.
Dieses Modell wird auch unabhängig von der Verbrennung selbst zu Simulation des Landungswechsel bei Zweitaktmotoren eingesetzt. Eigenschaften: Beschreibung mittels gewöhnlicher Differentialgleichungen der Zeit, Nutzung physikalischer und chemischer Modelle für Gemischbildung, Schadstoffbildung, Zündung und Brennverlauf; Wärmeübergangsmodell; Kennzahlen für Strömungsfeld



dreidimensionale Modelle
CFRD (computational reactive fluid dynamics)
Eigenschaften: Die Beschreibung wird hier mittels gewöhnlicher Differentialgleichungen der Zeit, der Nutzung modifizierter physikalischer und chemischer Modelle für Gemischbildung, Schadstoffbildung, die Zündung und den Brennverlauf; Wärmeübergangsmodell; Reynoldsgemittelte Navier-Stokes-Gleichnungen mit Turbulenzmodellen und Wandgesetzen vorgenommen.