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Development and Validation of Scale-resolving Computational Models Relevant to IC-engine Flow Configurations

Chang, Chi-Yao :
Development and Validation of Scale-resolving Computational Models Relevant to IC-engine Flow Configurations.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Development and Validation of Scale-resolving Computational Models Relevant to IC-engine Flow Configurations
Language: English
Abstract:

Turbulent swirling and tumbling flow currents are dominating phenomena in the internal combustion engine systems. These occurrences have great influence on the quality of fuel-air mixture and combustion. Concerning the employment of the CFD (Computation Fluid Dynamics) methods for relevant flow simulations, the LES (Large Eddy Simulation) method is becoming more and more the computational tool in the field of engine design and optimization, thanks to its predictive capability to better estimate the rotational characteristics and cycle-to-cycle variations. This method com- pensates the disadvantages of classical RANS (Reynolds Averaging Navier- Stokes) models of turbulence by resolving the instantaneous flow structures. However, it is accompanied by uncertainties concerning the required mesh resolution.

The hybrid eddy-resolving methods, which gain increased popularity in the CFD community, are conceptualized to combine the advantageous characteristics of RANS and LES. This leads to an advanced modeling strategy for complex flow configurations at higher Reynolds numbers. On one hand, the large flow structure is captured in accordance with the applied grid spacing; furthermore, the small structures are computed by an appropriately modified RANS model of turbulence.

In the present work, an eddy-resolving model, denoted as ”Very Large Eddy Simulation” (VLES) according to Speziale (1998), is formulated and validated. The validations are preliminary carried out by computing some important generic configurations as decay of homogeneous isotropic turbulence (Tavoularis et al. (1997); underlying the basic turbulence law concerning its natural decay), plane channel flow (Moser et al. (1999); most important representative of wall-bounded flow configurations for studying the near-wall turbulence) and flow over a periodical arrangement of two-dimensional hills (Temmermann et al. (2003); separation at a curved continuous surface) to check the model’s predictive capabilities. Furthermore, a real three-dimensional swirling flow in a vortex tube with different shapes of outlet orifices (investigated experimentally by Grundmann et al.,2012) and a generic piston-cylinder assembly focusing on the compression of a tumbling vortex generated during the intake phase (experiment by Borèe et al., 2001) were computed to examine whether the relevant flow properties can be correctly captured computationally. Finally, an industrial engine system (not accounting for the spray and combustion) for which the experimental reference is provided by Baum et al. (2013) is considered for the final validation to see the suitability of the turbulence models formulated presently for the application in internal combustion engines.

Compared to both the Partially Averaged Navier-Stokes (PANS) and RANS methods (the four-equation k-ζ-f model of Hanjalić et al., 2004, was used as the RANS constituent in the present hybrid scheme; in addition the pure LES and RANS computations, the latter employing the same model as the PANS and VLES, have been performed), the present eddy-resolving model exhibits better reproduction of the corresponding reference data. The VLES, which suppresses the modeled turbulent properties to the level of subgrid-scale explicitly by appropriately modifying the turbulent viscosity model, is especially capable of triggering the fluctuation in the entire flow region, whereas PANS shows a too diffusive representation. These features enable the calculation to preserve the LES operating mode in the configurations where the employment of a RANS model is not satisfactory. Furthermore, the VLES method utilizes the currently computed (instantaneous) values without having to extract the averaged properties. This also avoids the problem the PANS method has in the time-dependent calculation of flows with moving boundaries.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Turbulente verdrallte Strömung und ”Tumbling motions” sind die dominierenden aerodynamischen Phänomene im Verbrennungsmotor, die sowohl die Mischung zwischen Luft und Brennstoff, als auch den Verbrennungsprozess stark beeinflussen. In den Anwendungen der Numerischen Strömungsmechanik (CFD - Computational Fluid Dynamics) findet die Methode der Grobstruktursimulation (LES - Large Eddy Simulation) immer mehr die Verwendung im Design- und Optimierungprozess der Verbrennungsmotoren dank der korrekten Erfassung der strukturelen Eigenschaften der drallbehafteten Strömung sowie deren zyklischen Veränderungen. Diese Methode kompensiert den Nachteil der RANS-Vorgehensweise (nach Reynolds gemittelte Navier-Stokes’sche Methode) durch Auflösen der instantanen turbulenten Strukturen, obgleich die durch die Gitterauflösung bedingte Genauigkeit zu prüfen ist. Die hybriden Modellierungsstrategien, die in den letzten Jahren stark an der Popularität in der CFD-Community gewonnen haben, koppeln die besten Eigenschaften der LES und RANS Methoden: einerseits sind die großen, energie-tragenden Wirbelstrukturen entsprechend der Gitterbreite aufgelöst; anderseits sind die hoch-frequenten turbulenten Skalen von den Modellen umfasst. In der vorliegenden Arbeit wird die sogenannte ”Very Large Eddy Simulation” Methode (VLES) formuliert und validiert. Die Validierung wird zuerst anhand einiger wichtiger generische Fälle durchgeführt, um das allgemeine Verhalten des Modells zu überprüfen. Die Testfälle beziehen sich auf ”das Abklingen der homogenen isotropen Turbulenz” (referente direkte numerische Simulation - DNS - wurde von Tavoularis et al.(1997) durchgeführt; hier geht es um den grundlegenden Prozess des natürlichen Abklingens der Turbulenz), die “turbulente Kanalströmung” (DNS von Moser et al.(1999), dies stellt den wichtigsten Testfall zur Untersuchung der Turbulenz im wandnahen Bereich) und die “periodische Strömung über einen zweidimensionalen Hügel” (LES von Temmermann et al.(2003) zur Untersuchung der separierenden Scherschicht an einer gekrümmten kontinuierlichen Oberfläche). Weitere Validierung der hier formulierten VLES Methode ist anhand der Berechnung der verdrallten Strömung in einem Wirbel-Rohr (experimentell untersucht von Grundmann et al.(2012)) und einer generischen Motorkonfiguration (experimentell untersucht von Borée et al. (2001)) durchgeführt. Das Ziel war zu prüfen, ob die entsprechenden physikalischen Phänomene wiedergegeben werden können. Letztendlich wurde eine reale Motorgeometrie mit den sich bewegenden Ventilen und dem Kolben (ohne Kraftstoffeinspritzung und Verbrennung) berechnet. Die Referenzdaten wurden im Rahmen des Experimentes von Baum et al.(2013)) zur Verfügung gestellt. Zudem wurden all die aufgeführten Strömungsfälle mit der ”Partially Averaged Navier-Stokes” (PANS) Methode und der konventionellen RANS Methode (das Vier-Gleichungsmodell k-ζ-f von Hanjalić et al.(2004) wurde eingesetzt; dieses RANS Modell stellt den Bestandteil sowohl der PANS als auch der VLES Methode dar) berechnet. Das VLES hybride Modell liefert vielversprechende, zu den entsprechenden LES und experimentellen Daten komplementäre Ergebnisse. Vor allem dort, wo keine geometrisch bedingte Generierung der Instationarität der Turbulenz vorhanden ist (wie im Fall einer Ablösung), ist VLES fähig, die Geschwindigkeitsfluktuationen aufzulösen, während PANS zu diffusiv erscheint. Die Eigenschaft von VLES, die modellierten turbulenten Größen explizit zum Feinstruktur-Level (sub-scale) zu unterdrücken, ermöglicht die Erhaltung der fluktuierenden Strömungsstruktur, wie im Fall einer LES. Diese Eigenschaft ist insbesondere in den Konfigurationen nützlich, wo das zu Grunde gelegte RANS Modell nicht geeignet ist. Außerdem ermöglicht die VLES die momentanen Größen im Rahmen der Methode direkt zu berücksichtigen, ohne sie mitteln zu müssen. Dies kommt insbesondere in den zeitlich abhängigen Strömungsfällen mit den sich bewegenden Berandungen (z.B. Ventile und Kolben) zu Geltung.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
Date Deposited: 06 Jan 2015 08:32
Last Modified: 07 Jan 2015 10:57
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-43150
Referees: Tropea, Prof. C. and Jakirlic, Prof. S. and Sadiki, Prof. A.
Refereed: 20 January 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4315
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