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Modeling and unsteady simulation of turbulent multi-phase flow including fuel injection in IC-engines

Nishad, Kaushal Prasad :
Modeling and unsteady simulation of turbulent multi-phase flow including fuel injection in IC-engines.
TU Prints Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Modeling and unsteady simulation of turbulent multi-phase flow including fuel injection in IC-engines
Language: English
Abstract:

In internal combustion engine (ICE), researchers have to face with stringent environment regulations concerning pollutants while improving engine thermal efficiency, making the engine design a complex task. To meet these requirements, an understanding of the salient features of all the engine processes are very important. Being the primitive process of engine operations, fuel injection influences whole engine cycle via fuel-air mixture preparation, thereby the combustion behavior and subsequently the emission performance. The inhospitable environment inside a combustion chamber makes the experimental investigations more complex and expensive. In contrast, a CFD based investigation can provide comprehensive insight about in-cylinder flow field, spray injection phenomena as encountered in IC-engine.

In the present study, a CFD tool that enables to investigate the real unsteady behavior of realistic engine configuration is developed by coupling Large Eddy Simulation (LES) together with a spray module using the KIVA4-mpi Code. It is based on an Eulerian-Lagrangian framework to describe the spray evolution including primary and secondary atomization. A linear instability sheet atomization (LISA) based sub-model is integrated to represent the primary atomization. The secondary atomization is modeled by an available Taylor analogy break-up (TAB) model. In dense spray region, the droplet-droplet interaction considerably influences the overall spray dynamics. The first novelty of the proposed methodology is to include droplet-droplet interaction processes via an appropriate collision sub-model that is independent of mesh size and type. Thereby, taking account of different regimes, such as bouncing, separation, stretching separation, reflective separation and coalescence. The formation of wall film on hot cylinder surface is a critical process in an IC-engine, since it largely influences the engine performance and emission characteristics. The second novelty of this spray module is the implementation of an improved wall film model that includes the combined effects of droplet kinetic energy and wall temperature into KIVA4-mpi code.

To perform an IC-engine simulation, a good quality mesh generation in ICEM-CFD for an engine geometry is challenging task. The KIVA4-mpi is compatible only with block structured mesh without any use of O-grid. Due to this reason, only certain degree of mesh refinement is possible. This makes it difficult to achieve a good quality fine mesh required for LES simulation. In the present study, a new meshing strategy is proposed to generate suitable mesh for real IC-engine configurations. The new method clearly demonstrates the improvement in resolving the in-cylinder flow structures. First, the simulated results for motored case (no fuel injection and no combustion) are compared with the experimental data for a transparent combustion chamber (TCC) engine configuration from Engine Combustion Network (ECN). Second, to demonstrate the importance of fuel injection sub-models, further simulations are carried out including the evolution of evaporating fuel spray with wall impingement. Third, using the new meshing strategy, simulations are also performed for a real complex canted 4-valve engine configuration. Simulated results are compared well with available experimental data.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren sind Forscher mit der komplexen Aufgabe konfrontiert, strenge Schadstoffauflagen mit der Verbesserung des Motorwirkungsgrades zu kombinieren. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist das Verständnis aller wesentlichen Merkmale des Verbrennungsprozesses von nöten. Der Prozess der Kraftstoffeinspritzung geht allen anderen vorraus und beeinflusst damit den gesamten Motor-Zyklus, von der Luft-Kraftstoff-Gemischbildung über die Verbrennung bis hin zum Emissionsverhalten. Die extremen Bedingungen innerhalb der Brennkammer macht die experimentelle Untersuchung komplex und teuer. Im Gegensatz dazu gibt eine CFD (Computational Fluid Dynamics) basierte Untersuchung umfassend Aufschluss über das Strömungsfeld und die Phänome der Verdampfung wie sie in Verbrennungskraftmaschinen auftreten. In der vorliegenden Arbeit wird ein auf KIVA4-mpi aufbauendes CFD-Programm vorgestellt, das die Analyse des instationären Verhaltens von realistischen Motorkonfigurationen mittels Large Eddy Simulation (LES) und einem Spray Modul erlaubt. Das Programm beschreibt die Entwicklung des Spray über einen Euler-Lagrange Ansatz und berücksichtigt dabei den primären und sekundären Zerfall der Tropfen. Das Modell für den primären Tropfenzerfall basiert auf dem LISA Submodell (Linear Instability Sheet Atomization) wohingegen der sekundäre Tropfenzerfall über das TAB-Modell (Taylor Analogy Break-up) abgebildet wird. In Bereichen mit hoher Tropfenkonzentration hat die Tropfen-Tropfen-Interaktion einen starken Einfluss auf das dynamische Gesamtverhalten des Sprays. Die erste Neuerung der vorliegenden Arbeit ist die Beschreibung der Tropfen-Tropfen-Interaktion mittels eines Kollisions-Submodells, das unabhängig von Feinheit und Struktur des Rechennetzes arbeitet. Berücksichtigt werden dabei unter anderem elastischer Stoß, Zerfall, verformter Zerfall, reflektierter Zerfall und die Vereinigung von Tropfen (Koaleszenz). Die Bildung des Wandfilms an der heißen Zylinderoberfläche ist ein kritischer Prozess in einem Motor, da er dessen Leistung und Emissionsverhalten beeinflusst. Die zweite Neuerung bezieht sich auf ein verbessertes Wandfilm-Modell, das die kombinierten Effekte von kinetischer Energie der Tropfen und Wandtemperatur in den KIVA4-mpi Code berücksichtigt. Bei der Durchführung von Simulationen in Verbrennungsmotoren ist es wichtig ein Rechennetz mit hoher Qualität zu erzeugen. Zur Netzgenerierung der Motorgeometrie wurde in der vorliegenden Arbeit das Programm ICEM-CFD verwendet. Da KIVA4-mpi nur mit block-strukturierten Netzen ohne ``O-Grid'' angewendet werden kann, ist eine Netzverfeinerung nur bis zu einem gewissen Grad möglich. Dieser Sachverhalt macht es schwierig ein ausreichend feines Netz zu erzeugen, dass die Anforderungen der LES erfüllt. In der vorliegenden Arbeit wird eine neue Vernetzungstrategie vorgeschlagen, die es erlaubt geeigente Netze für Verbrennungsmotoren zu erzeugen. Die neue Methode ermöglicht eine deutlich bessere Auflösung des Strömungsfeldes im Brennraum. Dies wird verdeutlicht an, erstens, dem Vergleich von Simulationsergebnissen für den Fall ohne Krafteinspritzung und ohne Verbrennung mit experimentellen Daten eines transparenten Brennraums vom Engine Combustion Network (ECN). Zweitens wird durch weitere Simulationen der Entwicklung von verdampfendem Kraftstoffspray und der Interaktion mit der Wand die Bedeutung des Einspritzvorgangs herausgestellt. Drittens wird mittels der neuen Vernetzungsstrategie ein realistischer Verbrennungsmotor mit vier Ventilen abgebildet. Die Simulationsergebnisse werden mit den zur Verfügung stehenden experimentellen Daten gut verglichen.German
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: TU Prints Technische Universität Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Energy and Power Plant Technology (EKT)
Date Deposited: 16 May 2013 15:06
Last Modified: 16 May 2013 15:06
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-34210
Referees: Janicka, Prof. Dr. Johannes and Sadiki, Prof. Dr. Amsini and Gutheil, Prof. Dr. Eva
Refereed: 14 February 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3421
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