Strömungsberechnung des Kühlmittels im Kolben-Kühlraum

Strömungsberechnung des Kühlmittels im Kolben-Kühlraum

Ergebnis der Strömungsberechnung und der Berechnung des Wärmeübergangs ist ein transientes 3D-Feld des Wärmeflusses von der Kolbenwand zum Kühlöl an den inneren Wänden des Kolbens.

Im Rahmen eines FuE-Verbundprojekts, welches die MET-Motoren- und Energietechnik GmbH gemeinsam mit der Caterpillar Energy Solutions GmbH bearbeitet hat, wurden erfolgreich numerische Methoden zur Strömungsberechnung und Wärmeübertragungsanalyse für die Optimierung des instationären Vorgangs der Wärmeübertragung vom Brennraum zum Kühlraum eines Großmotorenkolbens mit Öl-Shaker-Kühlung eingesetzt.

Grundlage für das Modell zur numerischen Strömungssimulation ist das Strömungsgebiet, das aus der Kolbengeometrie abgeleitet und in ein 3D-Berechnungsnetz abgebildet wurde. Bei der Erzeugung des Rechennetzes fanden die Anforderungen von beiden physikalischen Phänomenen Berücksichtigung: der zweiphasigen turbulenten Strömung des Öl-Luft-Gemisches und der Wärmeübertragung zwischen den Fluiden (Öl und Luft) und den Wänden des Kolbens. Die Strömungs- und Temperaturgrenzschichten wurden bei der Strömungsberechnung und der Berechnung des Wärmeübergangs entsprechend berücksichtigt.

Grundlage für das Modell zur numerischen Strömungssimulation ist das Strömungsgebiet, das aus der Kolbengeometrie abgeleitet wird. Das Strömungsgebiet beinhaltet den inneren und den äußeren Kühlraum, die Verbindungskanäle zwischen den Kühlräumen, so wie das Öleinlass- und Ölauslasssystem. Zusätzlich wurde das Strömungsgebiet im Inneren des Kolbens inklusive Pleuel berücksichtigt.
Strömungsgebiet (blau) extrahiert aus der Kolbengeometrie

Die Kolbenbewegung und der Öldurchfluss zwischen Öleintritts- und Ölaustrittbohrungen werden in der Strömungssimulation durch dynamisch bewegte Rechennetze erfasst. Auf das Öl in den Kühlräumen des Kolbens wirken die gleichen transienten bzw. kurbelwinkelabhängigen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen wie beim realen Kolben im Motor.

Bei der Erzeugung des Rechengitters wurden die Anforderungen von beiden physikalischen Phänomenen berücksichtigt: der zweiphasigen turbulenten Strömung des Öl-Luft-Gemisches und der Wärmeübertragung zwischen den Fluiden (Öl und Luft) und den Wänden des Kolbens. Die unterschiedlichen Dicken von Strömungs- und Temperaturgrenzschichten wurden bei der Strömungsberechnung und der Berechnung des Wärmeübergangs entsprechend berücksichtigt.
Turbulente Zweiphasenströmung des Öl-Luft-Gemisches im Kühlraum des Kolbens

Ergebnis der Strömungsberechnung und der Berechnung des Wärmeübergangs ist ein transientes 3D-Feld des Wärmeflusses von der Kolbenwand zum Kühlöl an den inneren Wänden des Kolbens.

Ergebnis der Strömungsberechnung und der Berechnung des Wärmeübergangs ist ein transientes 3D-Feld des Wärmeflusses von der Kolbenwand zum Kühlöl an den inneren Wänden des Kolbens.
Temperaturverteilung im Kolben und im Kühlöl