Simulierte Zerstäubung

Moderne Verkehrs­flugzeuge kommen schon mit weniger als drei Litern Treibstoff pro 100 Kilometer und Passa­gier aus. Diesen Wert wollen Wissen­schaftler am Karlsruher Institut für Tech­nologie (KIT) im Univer­sity Techno­logy Centre von Rolls-Royce noch weiter verbessern. Zudem wollen sie den Verbrennungs­prozess so optimieren, dass deutlich weniger Abgase entstehen. Dafür nutzen sie Super­rechner und Simulations­methoden, die sonst bei Tsunami-Berech­nungen oder für Wasser-Effekte in Computer­spielen einge­setzt werden.

Um beim Fliegen weniger Schad­stoffe wie Ruß oder Stickoxide zu produ­zieren, reiche es nicht, den Verbrauch zu redu­zieren, stellt Rainer Koch, Abteilungs­leiter Brennkammer­entwicklung am Institut für Thermische Strömungs­maschinen ITS, klar. Vielmehr sei es dafür notwendig, die Ver­brennung selbst zu verbessern. Für das Ziel, Umwelt­freundlich­keit, Zuver­lässigkeit und Wirt­schaftlich­keit von Flugtrieb­werken immer weiter zu steigern, kooperieren die Forscher inner­halb eines Univer­sity Tech­nology Centres (UTC) seit nun genau zehn Jahren mit dem Triebwerk­hersteller. Das Vorhaben ist kein leichtes Unter­fangen: Denn allein den Verbrennungs­prozess zu beobachten, ist bei einer Maschine, in der anders als beim Kolben­motor alle vier Takte – Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen – gleich­zeitig und ununter­brochen ablaufen, in die permanent ein Luftstrom mit 300 Metern pro Sekunde strömt und in der dazu Tempera­turen deutlich über dem Schmelz­punkt der verbauten Materia­lien herrschen, alles andere als einfach. Entsprechend teuer und komplex sind experi­mentelle Unter­suchungen von Kraftstoff­einspritzung, Schadstoff­bildung und Vermeidung.

Um diese Frage­stellung anzugehen, haben Koch und sein Team einen virtuellen Düsen­prüfstand entwickelt, mit dem sich mittels nume­rischer Verfahren die Schadstoff­bildung in der Brenn­kammer vorhersagen lässt. Damit können die Inge­nieure Größe, Form, Flugbahn und Dynamik von Aber­millionen winzigster Kerosin­tröpfchen berechnen und visua­lisieren. Ursprünglich diente die Methode Astro­physikern, um Explo­sionen ganzer Galaxien zu berechnen. Später kamen die Simu­lation von Tsunamis und visuelle Effekte in Filmen und Video­spielen hinzu. „Wir haben dann gesagt, das machen wir jetzt für die Kraftstoff­zerstäubung“, so Koch.

Dazu füttere man den Super­computer mit den technischen Daten der Einspritz­düse, erklärt Thilo Dauch, wissen­schaftlicher Mitarbeiter am ITS. Diese wird dafür zunächst am Computer in kleinste Bereiche aufgeteilt, Volumen­elemente genannt. 1,2 Milliarden dieser Volumen­elemente nehme man dabei in den Blick, in Industrie und Forschung sind sonst eine Million bis 100 Millionen üblich. Ebenso beein­druckend ist auch die Daten­menge: 60 Terabyte Daten generiert das Programm aus einem Testlauf. Nach etwa einem Monat liegt das Ergebnis vor. „Mit einem herkömm­lichen PC bräuchten sie dafür 72 Jahre“, so Dauch. Der Aufwand lohnt: „Ein Triebwerk kostet zwischen 5 und 20 Millionen, ein Tag auf dem Triebwerks­prüfstand kostet mehrere 10 000 Euro.

„Wir können auch direkt in die Brenn­kammer hinein­schauen“, sagt Koch. In der 3D-Simulation können die Forscher verfolgen, wie der Kraftstoff zunächst Lasso-artige Schlieren bildet, welche sich zu Blasen formen, die dann zer­platzen und in vielgestaltige Tropfen auseinander­stieben. Ein faszi­nierendes Schauspiel, das bei der Suche nach dem nach Form und Größe passends­ten Tropfen aber prak­tischen Nutzen hat. Durch den optischen Eindruck können die Forscher die Berech­nungen überprüfen und auch ein tieferes Verständnis für das Geschehen in der Brenn­kammer entwickeln. „Wir haben die Einspritz­düse schon ent­scheidend verbessern können“, betont Koch. „Und es geht noch weiter“. In Zukunft wollen die Wissen­schaftler ihre Methode auf weitere Anwendungs­gebiete ausweiten.

KIT / JOL