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Scale-resolving simulations of internal combustion engine flows

Buhl, Stefan (2018):
Scale-resolving simulations of internal combustion engine flows.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Scale-resolving simulations of internal combustion engine flows
Language: English
Abstract:

This thesis presents a numerical study of turbulent flows in internal combustion engines (ICEs) with focus on selected modeling and physical aspects. All studies base on a substantial number of consecutive cycles (up to 100) generated for simplified as well as state-of-the-art engine setups. Throughout the work, the results are compared and validated to existing experimental data and results obtained by direct numerical simulation (DNS). One major aspect is to study cycle-to-cycle variations (CCVs).

Appropriate modeling strategies for ICEs are intensively discussed. One example is the most suitable treatment of the intake and the exhaust ports. Here, three different port modeling strategies are applied on a well-known experimental engine setup. Integral quantities are evaluated and the velocity components as well as their fluctuations are compared to existing experimental data. Furthermore, the accuracy of selected scale-resolving turbulence models and their capability to capture large-scale and small-scale fluctuations are analyzed. For this, three LES models (Smagorinsky, WALE and Sigma), one hybrid model (DES-SST) and one second-generation URANS model (SAS-SST) are applied to a simplified engine setup. The predicted averaged velocities and the resolved fluctuations are compared to each other and to reference data from DNS and experiment. The investigated key aspect is the models' capability to resolve CCVs.

A quasi steady state flow bench configuration is used to analyze the effect of the applied turbulence model and the numerical grid on the flow in the vicinity of the intake valve. For a detailed investigation with regard to the intake jet, the velocity field is transformed into a local jet-adapted coordinate system. Based on this transformation, three characteristic zones within the intake jet are identified. A simplified engine setup is used to quantify the cyclic variability of large-scale structures within the combustion chamber in a next step. For that purpose, a novel ad-hoc methodology is presented. This methodology (combining proper orthogonal decomposition and conditional averaging) groups the instantaneous flow fields into different subsets and allows a quantification of a large and a small-scale contribution to the total fluctuations. The generation of the large-scale tumble structure and its interaction to the piston boundary layer during the intake stroke is studied based on an experimental gasoline engine setup with a state-of-the-art cylinder head. The instantaneous and phase-averaged tumble structures within the 3D flow field are visualized. Based on specific values of the dimensionless wall normal distance, the thickness of the piston boundary layer is computed and its interaction with the large-scale tumble structure is studied. Finally, the tumble development during the compression stroke is considered based on two established experimental engine setups, for which benchmark data was made available. After a general evaluation of the phase-averaged and instantaneous tumble structures, the CCV is quantified. To quantify the kinetic energy stored by the in-cylinder charged motion, the phase-averaged tumble intensity is evaluated. The tumble development during the compression stroke is subdivided into four consecutive phases.

In summary, this thesis offers a significant advance in the evaluation of several modeling strategies. Furthermore, it contributes to a deeper understanding of the in-cylinder flow processes, especially during the intake and compression stroke.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Arbeit präsentiert eine numerische Untersuchung von Strömungen in Verbrennungsmotoren. Der Fokus liegt auf ausgewählten modellierungsspezifischen und physikalischen Aspekten. Als Grundlage dienen sowohl vereinfachte als auch moderne seriennahe Motorkonfigurationen. Die erzeugten Simulationsergebnisse werden mit verschiedenen Referenzergebnissen (Experiment und direkte numerische Simulation) verglichen. Im Rahmen der Arbeit werden ausschließlich skalenauflösende Turbulenzmodelle verwendet, um auch durch zyklische Schwankungen hervorgerufene Effekte zu berücksichtigen. Ein kritischer und häufig diskutierter Punkt bei der Berechnung von Verbrennungsmotoren stellen die verschiedenen zum Einsatz kommenden Modellierungsansätze dar. Im ersten Schritt wird basierend auf einem experimentellen Versuchsmotor die Handhabung des Rechengebietes analysiert. Dabei kommen drei verschiedene Ansätze zur Behandlung des Ein- bzw. des Auslasskanals zum Einsatz. Die Bewertung erfolgt mittels integraler Größen, Geschwindigkeitskomponenten und deren Fluktuationen. Die so gewonnenen Ergebnisse werden untereinander und mit experimentellen Daten verglichen. Weiterhin wird auf Basis einer vereinfachten Motorkonfiguration die Genauigkeit ausgewählter Turbulenzmodelle sowie deren Fähigkeit, zyklische, groß- und kleinskalige Schwankungen korrekt wiederzugeben, untersucht. Hier kommen drei LES-Modelle (Smagorinsky, WALE und Sigma), ein hybrides Modell (DES-SST) und ein URANS-Modell der zweiten Generation (SAS-SST) zum Einsatz. Mit Hilfe eines quasi-stationären Strömungsprüfstandes wird die Sensitivität des Rechenergebnisses hinsichtlich des zum Einsatz kommenden Turbulenzmodells und Rechengitters betrachtet. Der Fokus der Auswertung liegt dabei auf dem Einlassjet in unmittelbarer Nähe zum Einlassventils. Zur weiterführenden Analyse wird das Geschwindigkeitsfeld mittels eines lokal an den Einlassjet angepassten Koordinatensystems transformiert und in drei charakteristische Zonen unterteilt. Anhand einer vereinfachten Motorkonfiguration werden die zyklischen Schwankungen innerhalb des Brennraums analysiert. Mittels einer neu entwickelten Methode werden die instantanen Geschwindigkeitsfelder in verschiedene Gruppen eingeteilt. Diese Gruppierung geschieht durch eine kombinierte Anwendung der „proper orthogonal decomposition'' und einer „konditionierten Mittelung''. Anschließend können die Fluktuationen in einen groß- und einen kleinskaligen Anteil zerlegt werden. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird die Ladungsbewegung innerhalb des Brennraums (Tumble) sowie deren Auswirkung auf die Strömungsgrenzschicht auf dem Kolben untersucht. Die instantanen Tumble und deren Phasenmittel werden innerhalb des 3D-Strömungsfeldes visualisiert. Die Dicke der Kolbengrenzschicht wird (anhand spezifischer Werte des dimensionslosen Wandabstandes) ausgewertet und die Verbindung mit der Tumble-Struktur hergestellt. Zum Abschluss wird der Tumble während der Kompressionsphase bewertet. Die Basis hierfür bilden zwei hochmoderne experimentelle Versuchsmotoren. Die Bewertung des Tumble erfolgt anhand seiner räumlichen Entwicklung, der auftretenden zyklischen Schwankung und der phasen-gemittelten Tumble-Intensität. Zusammengefasst stellt diese Arbeit einen wesentlichen Fortschritt bei der Bewertung von verschiedenen Modellierungsstrategien dar. Weiterhin leistet sie einen Beitrag zum verbesserten Verständnis der innermotorischen Strömungsphänomene während der Einlass- und Kompressionsphase.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Simulation of reactive Thermo-Fluid Systems (STFS)
Date Deposited: 02 Aug 2018 07:35
Last Modified: 02 Aug 2018 07:35
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-75523
Referees: Hasse, Prof. Dr. Christian and Dreizler, Prof. Dr. Andreas
Refereed: 13 June 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7552
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