Transkritische Einspritzungen unter hohen Druckbedingungen

In modernen Dieselmotoren und Flüssigkeitsraketen wird der Kraftstoff in eine Umgebung mit hohem Druck und hoher Temperatur eingespritzt. Die Umgebungsbedingungen liegen häufig über dem kritischen Druck und der kritischen Temperatur des eingespritzten Kraftstoffs, während sich der Kraftstoff vor der Einspritzung in einem unterkritischen flüssigen Zustand befindet, und somit eine transkritische Einspritzung vorliegt. Darüber hinaus kann das Gemisch aus Kraftstoff und Umgebungsgas einen höheren kritischen Punkt aufweisen als die jeweilige Reinsubstanz, was dazu führt, dass das Gemisch unterkritisch ist und Phasenzerfall aufgrund von Mischungseffekten auftreten kann. Um diese physikalischen Phänomene darzustellen und zu erfassen, sind komplexe thermodynamische Modelle erforderlich. 

In diesem Forschungsprojekt untersuchen wir numerisch die turbulente Vermischung und Zweiphasenphänomene bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff. Dazu verwenden wir eine erweiterte Version des Strömungslösers OpenFOAM, die ein thermodynamisches Modell enthält, welches Realgasthermodynamik und Phasenübergangseffekte berücksichtigt.

Die Abbildung zeigt eine transkritische Injektion mit Phasenzerfall aufgrund von Mehrkomponentenmischung. Der zweiphasige Bereich in der Mischungszone wird durch die Regenbogen-Farbskala visualisiert.