“RANS is eigenlijk gerommel”, vertelt aio Vincent Huijnen over de techniek die momenteel de standaard is om processen in verbrandingskamers van motoren te simuleren. RANS kijkt naar gemiddelde waardes, bijvoorbeeld voor de luchtsnelheid, waardoor het weinig kan zeggen over de zeer turbulente stromings- en verbrandingspatronen in cilinders.
Met LES (Large Eddy Simulation) moet dat wel kunnen, is de gedachte achter het onderzoek van Huijnen. “LES komt oorspronkelijk uit de weervoorspellingtechniek. Het is een hele schone, zuivere techniek, die nog heel weinig is toegepast op verbrandingsmotoren”, vertelt hij. De crux van LES zit ‘m in het woord Eddy, wat ‘vortex’ ofwel werveling betekent. De techniek bekijkt wat voor wervelingen er plaatsvinden en hoe die wervelingen elkaar weer beïnvloeden. “Het idee is: ik reken elke wervel uit, en als je dat heel precies doet, dan weet je alles. In de theorie dan. In de praktijk blijkt dat niet zo gemakkelijk. Bij het weer, in de atmosfeer, heb je weinig randen. Dat maakt het daar gemakkelijk toe te passen. Maar in een motor heb je een complexe geometrie met heel veel wanden, die de stroming beïnvloeden. Bovendien heb je heel hoge snelheden en heel kleine Eddy’s die je moet meenemen in je berekeningen.”
Huijnen beperkte zich daarom bij de toepassing van LES op motoren tot het oplossen van een deel van het probleem. Hij maakte een simulatie van alleen de bovenkant van een cilinder -van een dieselmotor- daar waar de lucht binnenstroomt. Verder staan de kleppen en de zuiger van de motor stil in zijn simulatie. En er wordt ook geen diesel ingespoten, dus er is ook nog geen verbranding. De enige beweging is die van de lucht die naar binnenstroomt langs de kleppen. “En dat was al complex genoeg”, vertelt de aio. Want echt betrouwbaar bleken zijn simulaties uiteindelijk niet. Zijn model voorspelt de stromingspatronen in grote lijnen goed, en in veel meer detail dan RANS. Maar bij verschillende simulaties komen er niet dezelfde voorspellingen uit. Dat wil overigens niet zeggen dat hij geen vooruitgang heeft geboekt. “Mijn belangrijkste bijdrage is dat we nu weten wat de aspecten zijn waarop je moet letten en welke problemen je moet oplossen.”
Een tweede stap die hij zette, was het toepassen van LES op de simulatie van de inspuiting van brandstof bij zogenoemde gasjet-systemen. Hij bekeek hoe het turbulente mengproces van brandstof met lucht tijdens de inspuiting verloopt. Dit leverde wel een betrouwbare simulatie op.
Pas bij stap drie kwamen er vlammen kijken bij het onderzoek van Huijnen, diffusievlammen. Dat zijn vlammen waarbij de verbranding aan de rand van de vlam plaatsvindt, daar waar zuurstof en brandstof mengen. Net zoals in een dieselmotor. Hij modelleerde de verbranding van twee stoffen: methaan (CH₄) en benzeen (C₆H₆). “Bij methaan komt chemisch nog niet zo veel kijken. Benzeen is een stapje verder. Daar ontstaat al roet bij.” Met name dit laatste aspect had zijn interesse: het chemisch complexe en relatief onvoorspelbare proces van roetvorming. Waar in de vlam ontstaat hoeveel roet? Hij keek nog niet naar dieselvlammen. “Diesel bestaat onder meer uit heptaan, C₇H₁₆. De verbranding daarvan is nog te ingewikkeld om chemisch te beschrijven.”
Huijnen typeert zijn werk als een terreinverkenning van de toepassing van LES op verbrandingsmotoren. Toch is het de toekomst, denkt hij. Vroeger was gedetailleerde simulatie onmogelijk door gebrek aan rekencapaciteit. Maar die bottleneck verdwijnt snel door de toegenomen rekenkracht van computers. Bovendien nemen de eisen die gesteld worden aan de uitstoot en aan de zuinigheid steeds verder toe, waardoor het steeds meer noodzakelijk wordt om in een vroeg stadium van motorontwerp goed te weten hoe die presteert. En daarvoor is simulatie hét middel bij uitstek. Maar er zal nog minstens tien jaar voorbij gaan voor LES zijn intrede doet in de auto-industrie, verwacht de aio. “Dit staat nog in de kinderschoenen.”
Zelf zal hij er waarschijnlijk geen bijdrage meer aan leveren. Hij krijgt geen speciaal gevoel van motoren en vlammen. Maar wel van wervels, turbulentie en complexiteit. Vandaar dat de 28-jarige aio vanaf 1 september werkt bij het KNMI, waar hij onder meer gaat werken aan modellen van luchtvervuiling./.

Ir. Vincent Huijnen is op 4 september gepromoveerd op zijn proefschrift getiteld ‘On the Application of Large-Eddy Simulations in Engine-related Problems’.

Een vlam gesimuleerd met RANS (links) en met LES (rechts).