Johann Georg Wäsle - Lehrstuhl für Thermodynamik - TUM

Vorhersage von Verbrennungslärm
2.2 Turbulente Strömungen
Die der Verbrennung unterlegte turbulente Strömung hat einen starken Einfluss
auf den Verbrennungsprozess und die Lärmentstehung. Deswegen werden
im folgenden Abschnitt die wichtigsten Grundlagen zur Beschreibung
turbulenter Strömungen vorgestellt.
Die Hauptmerkmale einer turbulenten Strömung sind eine hohe Reynoldszahl,
stochastische Fluktuationen der Geschwindigkeitskomponenten in
Raum und Zeit und die Produktion und Dissipation von Wirbeln [25,85]. Eine
für die Verbrennungsvorgänge wichtige Eigenschaft stellt die Diffusivität der
Strömung, also der turbulente Mischprozess dar, der dafür sorgt, dass Frischgas
mit heißem Abgas rückvermischt und so auf Zündtemperatur vorgewärmt
wird.
2.2.1 Beschreibung turbulenter Geschwindigkeitsfelder
Treten Gradienten normal zur Hauptströmungsrichtung auf, zum Beispiel
aufgrund von Scherung, wird der Strömung, charakterisiert durch die mittlere
Geschwindigkeit u, Energie entzogen. Diese wird in Wirbelbewegungen umgewandelt.
Abbildung 2.3 zeigt den Schnitt durch ein rotationssymmetrisches
Geschwindigkeitsfeld. Die Symmetrieachse liegt in der Schnittebene. Links ist
das mittlere Geschwindigkeitsfeld, rechts im Vergleich dazu die instante turbulente
Schwankung u ′ (t) zum Zeitpunkt t dargestellt. Eine Betrachtung der
Amplituden zeigt, dass ein turbulentes Geschwindigkeitsfeld lokal stark vom
mittleren Strömungsfeld abweichen kann und die Beträge der Geschwindigkeitsschwankungen
in der selben Größenordnung wie die Beträge der mittleren
Geschwindigkeiten liegen können.
Dasselbe gilt für den zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeitsfluktuationen,
wie in Abb. 2.4 für die zeitliche Entwicklung der Axialgeschwindigkeitskomponente
an der Position �x (Abb. 2.3) gezeigt. Die Geschwindigkeit fluktuiert
um den Mittelwert uz mit starken momentanen Abweichungen. Die Standardabweichung
entspricht einer statistischen mittleren Fluktuation.
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