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Modelling wall interactions of a high-pressure, hollow cone spray

Mühlbauer, Monika :
Modelling wall interactions of a high-pressure, hollow cone spray.
TU Darmstadt / Fachbereich Maschinenbau
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Modelling wall interactions of a high-pressure, hollow cone spray
Language: English
Abstract:

Spray/wall interactions significantly influence air/fuel mixing and emissions in modern spark-ignited, direct injection engines. Yet, the complex phenomena are hardly understood - especially not with respect to the large number of parameters and the associated wide ranges occuring in an engine. Modelling spray/wall interactions thus presents a major drawback in numerical simulations done in engine development. This thesis focuses on the impact of dense, high-pressure hollow cone sprays for which existing wall interaction models are evaluated in detail and shown to fail. To the best of the author's knowledge no model adapted to the considered spray type was available which was furthermore accompanied by a severe lack of quantitative experimental data. Therefore, Phase Doppler Anemometry (PDA) is used to gather data on the normal impact of an isooctane spray with 50 bar injection pressure on a hemispherical copper target. The latter can be heated and wall temperatures up to 200°C are studied. Moreover, an additional oil film can be applied on the surface to simulate the oil film on a cylinder liner lubricating the piston motion. Variations in the particle Reynolds number between 2000 and 3000 on impact are achieved in changing the distance between injector and target. As the question how PDA data concerning spray/wall interaction have to be evaluated has not been studied thoroughly yet, a fundamental analysis was carried out and is presented in this thesis. The results are not limited to dense and high-pressure, hollow cone sprays but may serve as general guidelines for future data evaluation. Based on the measurements, the impact mechanisms of dense, high-pressure sprays are discussed where film fluctuations leading to ligament breakup are found to be decisive. For the considered high Reynolds numbers, inertial forces dominate all other forces which results in negligible parameter influence of the mean Reynolds number and the wall temperature. The oil film is observed to be quickly removed by the impacting spray which points out that spray/wall interactions on a cylinder liner may seriously endanger the operability of an engine. Finally, empirical correlations describing the secondary spray on wall interaction are developed from the gathered data and an extrapolation to oblique impact is proposed. This first empirical model adapted to dense, high-pressure hollow cone sprays is implemented in numerical code in a Lagrangian approach. Details of the implementation are given. The model is validated in several cases for impact angles between 30° and 90° measured relative to the wall and for injection pressures of 50 bar and 200 bar with very good results.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Gemischbildung und Emissionen moderner direkt einspritzender Ottomotoren werden entscheidend durch Spray/Wand-Wechselwirkungen beeinflusst. Die damit verbundenen, komplexen Phänomene sind bisher jedoch kaum verstanden - insbesondere nicht im Hinblick auf die beträchtliche Anzahl an Parametern, die mit jeweils großem Wertebereich im Motorbetrieb vorkommen. Die Modellierung von Spray/Wand-Wechselwirkungen stellt deshalb einen Schwachpunkt in der zu einem Großteil mittels numerischer Simulationen durchgeführten Motorenentwicklung dar. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf den Aufprall dichter Hohlkegelsprays für den die Unzulänglichkeit existierender Modelle detailliert aufgezeigt wird. Nach bestem Wissen der Autorin gab es bisher kein für diesen Spraytyp geeignetes Wandwechselwirkungs-Modell, was zudem mit einem völligen Mangel an quantitativen experimentellen Daten verbunden ist. Deshalb werden zunächst mittels Phasen Doppler Anemometrie (PDA) Daten zum normalen Aufprall eines Isooktansprays mit 50 bar Einspritzdruck auf ein halbkugelförmiges Kupfertarget gewonnen. Letzteres ist beheizbar, wobei Wandtemperaturen bis 200°C betrachtet werden. Zudem kann ein Ölfilm auf die Oberfläche aufgebracht werden, um den für die Kolbenbewegung entscheidenden Schmierfilm auf einer Zylinderbuchse nachzustellen. Durch unterschiedliche Abstände zwischen Target und Injektor wird beim Aufprall eine Variation der Reynoldszahl im Bereich von 2000 bis 3000 erreicht. Da die Fragestellung, wie PDA Daten bezüglich Spray/Wand-Wechselwirkungen auszuwerten sind, bisher nicht ausreichend untersucht wurde, werden fundamentale Aspekte zur Datenauswertung analysiert und in der Arbeit dargestellt. Die Ergebnisse sind dabei nicht auf dichte Hohlkegelsprays beschränkt, sondern können als allgemeine Anleitung für zukünftige Datenauswertungen dienen. Im Rahmen der Messauswertung wird der Aufprallmechanismus bei dichten Hohlkegelsprays diskutiert, wobei Filmfluktuationen, die zum Aufbruch von Ligamenten führen, identifiziert werden. Bei den betrachteten hohen Reynoldszahlen dominieren Trägheitskräfte alle anderen Kräfte, was zu einem vernachlässigbaren Parametereinfluss der Reynoldszahl und der Wandtemperatur führt. Ein Ölfilm wird durch das aufprallende Spray sehr schnell verdrängt. Dies verdeutlicht, wie Spray/Wand-Wechselwirkungen auf der Zylinderbuchse die Funktionsfähigkeit des Motors gefährden können. Schließlich werden auf Basis der experimentellen Daten empirische Korrelationen zur Beschreibung des Sekundärsprays aufgestellt und eine einfache Extrapolation auf schiefe Aufprälle vorgeschlagen. Details der Implementierung dieses ersten empirischen Modells zur Wandwechselwirkung dichter Hohlkegelsprays in einem Lagrange-Ansatz werden erläutert. Anhand mehrerer Fälle wird das Modell für einen Aufprallwinkelbereich von etwa 30°-90° relativ zur Wand und für Einspritzdrücke von 50 bar und 200 bar mit sehr guten Ergebnissen validiert.German
Uncontrolled Keywords: spray/wall interaction high-pressure, hollow cone spray modelling impact mechanism Phase Doppler Anemometry data evaluation
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
spray/wall interaction high-pressure, hollow cone spray modelling impact mechanism Phase Doppler Anemometry data evaluationEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Strömungslehre und Aerodynamik
Date Deposited: 19 Jan 2010 11:31
Last Modified: 07 Dec 2012 11:56
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-20191
Additional Information:

Die Druckausgabe der Dissertation ist im Shaker-Verlag (Aachen) als Bd. 22 der Schriftenreihe "Forschungsberichte Strömungslehre und Aeordynamik) mit der ISBN 978-3-8322-8645-3 erschienen.

License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Additional Information:

Die Druckausgabe der Dissertation ist im Shaker-Verlag (Aachen) als Bd. 22 der Schriftenreihe "Forschungsberichte Strömungslehre und Aeordynamik) mit der ISBN 978-3-8322-8645-3 erschienen.

Referees: Tropea, Prof. Dr.- Cameron and Sommerfeld, Prof. Dr.- Martin and Roisman, Priv.-Doz. Ilia
Refereed: 4 September 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2019
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