Numerische Simulationen zum supersonischen Ausströmverhalten von Airbag-Kaltgasgeneratoren in freie und geschlossene Umgebungen

In dieser Arbeit werden numerische Strömungssimulationen eines Kaltgasgenerators behandelt, um die Prognosefähigkeit von Entfaltungssimulationen für Kopfairbags zu verbessern. Bisherige Methoden wie Tanktests bieten keinen Einblick in das Strömungsfeld. Zur Steigerung der Simulationsgüte ist jedoch ein tieferes Verständnis der Strömungsdynamik erforderlich. Dazu werden hier Untersuchungen durchgeführt, die zu einem besseren Verständnis von Kaltgasgeneratoren und der zu wählenden numerischen Methode für Airbagsimulationen beitragen. Die Untersuchungen werden gestützt von LES und URANS-Simulationen unter der Verwendung von Realgasmodellen. Dazu ist die Arbeit in zwei Teile gegliedert.

Im ersten Teil geht es um die Entwicklung einer numerischen Methode zur Quantifizierung des Entleerungsvorgangs eines Kaltgasgenerators. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Bestimmung der wichtigsten Größen: des Drucks, der Temperatur und des Massenstroms. Simulationen zeigen ein komplexes und stark turbulentes Strömungsfeld mit Überschall- und Unterschallströmungen. Ein einflussreicher Längswirbel bildet sich im Kaltgasgenerator und verursacht ein hochdynamisches Ausströmverhalten. Dieser Wirbel ist mit Tanktests nicht zu identifizieren. Das k-ω-SST-Modell simuliert das Strömungsfeld mit ausreichender Genauigkeit im Vergleich zu einer LES und zu bekannten Experimenten. Für die Quantifizierung des Entleerungsprozesses sind die Realgaseffekte besonders wichtig, die ihren Ursprung im Reservoir mit anfänglich 660 bar Helium haben. Das Peng-Robinson-Realgasmodell liefert Abweichungen zu gemessenen Drücken von etwa 5-10 %, während die Annahme des idealen Gases Abweichungen von ca. 20-25 % aufweist. Ein vereinfachtes Simulationsmodell mit geringem Rechenaufwand und hochwertigen Einströmdaten wird entwickelt und ist ein guter praktischer Ansatz für Airbagsimulationen. Die im ersten Teil validierte numerische Methode wird im zweiten Teil dieser Arbeit evaluiert.

Für den zweiten Teil wird das sich entwickelnde Strömungsfeld des Kaltgasgenerators in geschlossenen Kanalsystemen mittels numerischer Strömungssimulationen untersucht. Dazu werden verschiedene generische Kanalsysteme verwendet, die typisch für die Entfaltung von Kopfairbags sind. Eine markante Charakteristik des Strömungsfelds von Kaltgasgeneratoren ist ein turbulenter unterexpandierter Strahl. Die Kanalsysteme sorgen für verschiedene Ausprägungsformen des unterexpandierten Strahls, die typischerweise in Kopfairbags auftreten können. Die großen Kanäle generieren ein Strömungsfeld ohne Wandinteraktion des unterexpandierten Strahls, das eine LES und das k-ω-SST-Modell im Vergleich zu bekannten Experimenten zufriedenstellend erfassen. In den Simulationen der kleinen Kanäle bildet sich ein Stoßzug mit Ma>10, der ein sensibles Verhalten zeigt. Mit dem k-ω-SST-Modell ist es herausfordernd, den flüchtigen Stoßzug zu erfassen und mit den verfügbaren Rechenressourcen eine netzunabhängige Lösung zu erreichen. Die zeitaufgelösten Simulationen geben einen tiefen Einblick und zeigen, dass das Strömungsfeld und der Stoßzug stark dreidimensional sind. Bisherige Untersuchungen zielten auf die Bewertung der kinematischen Entfaltung des Airbaggewebes ab, ohne strömungsmechanischer Einflüsse zu eruieren. In den hier durchgeführten Simulationen zeigt sich, dass stark beschleunigende Überschallströmung (der Stoßzug oder der turbulente unterexpandierte Strahl) unmittelbar in einer Abzweigungsstelle eine Rückströmung erzeugt und damit die Aufteilung der Strömung stark beeinflusst. Abzweigungsstellen treten mehrfach in den verzweigten Formen eines Kopfairbags auf, wodurch das Entfaltungsverhalten beeinflusst werden kann. Die validierten numerischen Simulationen ermöglichen ein besseres Verständnis der strömungsmechanischen Vorgänge in geschlossenen Umgebungen wie Kopfairbags und dienen als Grundlage für weiterführende Untersuchungen.