Väitös energiatekniikan alalta, DI Armin Wehrfritz

2016-10-14 12:00:37 2016-10-14 23:59:53 Europe/Helsinki Väitös energiatekniikan alalta, DI Armin Wehrfritz Tehokkaat simulointimenetelmät palamistutkimuksessa: liekkien moniskaalamallinnus suurteholaskennalla. http://www.aalto.fi/fi/midcom-permalink-1e69056b4fe04f6905611e6879b730547fdfc5bfc5b Otakaari 4, 02150, Espoo

Tehokkaat simulointimenetelmät palamistutkimuksessa: liekkien moniskaalamallinnus suurteholaskennalla.

14.10.2016 / 12:00
Luentosali 216, Otakaari 4, 02150, Espoo, FI

DI Armin Wehrfritz väittelee 14.10.2016 klo 12 Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoulussa, konetekniikan laitoksella aiheesta Tehokkaat simulointimenetelmät palamistutkimuksessa: liekkien moniskaalamallinnus suurteholaskennalla. Väitöskirjan nimi on englanniksi Large Eddy Simulation of Fuel Spray Combustion. Väitöksen ala on energiatekniikka, virtausmekaniikka.

Laskennalliset menetelmät ovat jo muutaman vuosikymmenen ajan olleet käytössä erityyppisten virtausilmiöiden 3D-mallinnuksessa. Keskeisiä kysymyksiä virtausmekaniikassa ovat muun muassa virtausvastus, suurten pyörteilyalueiden koko- ja aikaskaalat, turbulenssi ja sekoittuminen.

Moderni polttomoottoritutkimus pohjautuu pääosin laskennallisten 3D virtaus-ja palamismallien käyttöön ja vertailuun suhteessa koetuloksiin. Laskentatehon kasvu on asteittain mahdollistanut erittäin korkean resoluution simulointimenetelmien käytön turbulenttisten liekkien yksityiskoh- taiseen simulointiin. Laskennallinen palamistutkimus tähtääkin pitkälti siihen, että mallien kehitys korkealaatuisen mittausdatan avulla voisi johtaa yhä tarkempaan palamisprosessien ymmärrykseen ja mahdollisuuteen kontrolloida palamisen päästöjä ja hyötysuhdetta aiempaa tehokkaammin.

Kansainvälinen tutkimusverkosto, Engine Combustion Network (ECN), on esittänyt joukon hyvin määriteltyjä tutkimusongelmia, joita kymmenet tutkimusryhmät tutkivat sekä kokeellisin että laskennallisin menetelmin jakaen samalla tutkimusdataa keskenään. Tässä väitöstutkimuksessa tarkastellaan erästä näistä ongelmista nimeltä “Spray A”. Spray A ongelmassa polttoainetta ruiskutetaan kuumaan testikammioon, polttoaine höyrystyy, höyry sekoittuu ilman kanssa, seos syttyy ja palaa.

Tutkimusongelma sisältää mittakaavoja mikrometrin skaalasta aina metrin kymmenysosaan asti. Kyseessä on moniskaalaongelma, jonka laskennallinen ratkaisu edellyttää monitieteellistä lähestymistapaa yhdistäen laskennallisen fysiikan, reaktiivisen virtauksen kemian ja monifaasilaskennan.

Tutkimuksessa kehitettiin avoimen lähdekoodin virtausohjelmisto Open FOAMia hyödyntäen nopea ja laskennallisesti erittäin tehokas moniskaalainen simulointimenetelmä. Menetelmä mahdollistaa polttoaineliekin tarkan simuloinnin, virtauksen yksityiskohtien mallinnuksen, sekä aiempaa merkittävästi paremman tarkkuuden. Menetelmä huomioi liekkirintaman erittäin pienet mittakaavat, jotka kytkeytyvät keskeisesti liekin makroskooppisiin suureisiin, kuten liekin etenemisnopeuteen.

Tutkimustuloksia verrattiin ECN-verkoston tarjoamaan kokeelliseen dataan, jota hyödyntämällä saavutettiin aivan uuden tason ymmärrys polttoaineliekin rakenteesta, syttymisen kemiasta, alhaisen lämpötilan palamisesta, niin kutsustusta “kylmästä liekistä” ja palamisen päästöihin kytkeytyvästä liekin dynamiikasta. Tutkimustuloksia ja -menetelmiä voidaan hyödyntää palamisen kontrollointiin tulevaisuuden moottoreissa.

Väitöskirjaa rahoittivat mm Aalto-yliopisto, Cleen Oy, Suomen Kulttuurirahasto ja Merenkulun säätiö. Tutkimustulokset edustavat modernin palamistutkimuksen eturintamaa. Työssä kehitetty menetelmäperhe on laaja-alaisesti hyödynnettävissä muun muassa monien vaihtoehtoisten polttoaineiden tutkimuksessa esim. polttimien suunnittelussa, kattilapalamisessa tai virtaus-ja lämmönsiirtosovelluksissa.

Vastaväittäjä: Professori Andreas Kempf, Universität Duisburg-Essen, Saksa

Valvoja: Professori Ville Vuorinen, Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoulu, konetekniikan laitos

Elektronisen väitöskirjan osoite: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-7018-6

Väittelijän yhteystiedot: Armin Wehrfritz, puh. 044 071 1122 , armin.wehrfritz@aalto.fi