Scale-resolving simulation of primary spray breakup in complex two-phase flow systems relevant to internal combustion engines

The objective of this work is to numerically investigate primary breakup phenomena under conditions relevant to automotive applications using Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. Primary breakup of a liquid jet is a complex process that is not yet fully understood. In this work, the high-fidelity, scale-resolving approach has been applied, namely Large Eddy Simulation (LES) and Partially Averaged Navier-Stokes (PANS) models have been used to directly resolve most of the turbulence spectrum and to capture the flow structure that could play an important role in jet break-up. The Coherent Structure Model (CSM) was used to represent the unresolved subgrid scales (SGS) within the LES framework, while the Scale Supplying Variable (SSV) variant of PANS was chosen for the PANS approach. The multiphase flow problem has been addressed using the Volume of Fluid (VOF) paradigm because of its robustness, mass conservativity and ability to maintain a sharp interface between the liquid and gas phases.

The described simulation model, which is based on the numerical method of control volumes within the FIRE computational program of AVL List GmbH (Graz, Austria), has been applied to different flow configurations representative of industrial injector flows: 1) a circular liquid jet with a fully turbulent inlet profile, where the aim was to investigate the influence of inlet velocity and gas density on the liquid core length, 2) two different nozzle designs from the experiment of Balewski (PhD thesis, TU Darmstadt, 2009), where the aim was to get a deeper understanding of the correlation between turbulence and jet disintegration, 3) a low-pressure SCR injector operated at three different injection pressures, where the predictive power of the applied modes was confirmed; As part of this work, a tool for off-line coupling with Lagrangian Particle Tracking (LPT) simulations was developed, 4) a real GDI (gasoline direct injection) injector, which is particularly challenging due to the high injection velocity and the presence of cavitation.

All simulations performed provided plausible results that were in qualitative and quantitative agreement with the measurement results, suggesting that turbulence plays a very important role in the primary breakup process and that the influence of the internal nozzle design cannot be neglected in the spray characterisation. Despite certain limitations, high-fidelity CFD simulations can provide a deeper insight into the complex flow patterns and their impact on jet breakup, which can be useful to engineers involved in nozzle design development, and the results could be used as a basis for improving the accuracy of classical Lagrangian spray calculations.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die numerische Untersuchung von Primärzerfallsphänomenen unter den für Kfz-Verbrennungsmotoren relevanten Bedingungen mittels Computational Fluid Dynamics (CFD)-Simulationen. Das primäre Aufbrechen eines Flüssigkeitsstrahls ist ein komplexer Prozess, der noch nicht vollständig verstanden ist. In dieser Arbeit wurde ein skalenauflösender Ansatz mit hoher Genauigkeit angewandt, nämlich LES- (Large Eddy Simulation) und PANS-Modelle (Partially Averaged Navier-Stokes), um den größten Teil des Turbulenzspektrums direkt aufzulösen und die Strömungsstruktur zu erfassen, die eine wichtige Rolle beim Aufbrechen des Strahls spielen könnte. Das Coherent Structure Model (CSM) wurde eingesetzt, um die unaufgelösten Sub-Grid-Skalen (SGS) innerhalb des LES-Rahmens darzustellen, während die Scale Supplying Variable (SSV) Variante von PANS für den PANS-Ansatz gewählt wurde. Das Mehrphasenströmungsproblem wurde mit dem VOF-Paradigma (Volume of Fluid) angegangen, da es robust, massenerhaltend und in der Lage ist, eine scharfe Grenzfläche zwischen der Flüssigkeits- und der Gasphase zu erhalten.

Das beschriebene Simulationsmodell, das auf der numerischen Methode der Kontrollvolumina innerhalb des Berechnungsprogramms FIRE der AVL List GmbH (Graz, Österreich) basiert, wurde auf verschiedene Strömungskonfigurationen angewandt, die für industrielle Injektorströmungen repräsentativ sind: 1) ein kreisförmiger Flüssigkeitsstrahl mit einem vollturbulenten Einlassprofil, bei dem der Einfluss der Einlassgeschwindigkeit und der Gasdichte auf die Länge des Flüssigkeitskerns untersucht werden sollte, 2) zwei verschiedene Düsenkonstruktionen aus dem Experiment von Balewski (Doktorarbeit, TU Darmstadt, 2009), bei denen ein tieferes Verständnis des Zusammenhangs zwischen Turbulenz und Strahlzerfall erreicht werden sollte, 3) ein Niederdruck-SCR-Injektor, der bei drei verschiedenen Einspritzdrücken betrieben wurde, wobei die Vorhersagbarkeit der angewandten Modi bestätigt wurde; als Teil dieser Arbeit wurde ein Werkzeug für die Offline-Kopplung mit Lagrange‘schen Partikelverfolgungssimulationen (LPT) entwickelt, 4) ein realistischer GDI-Injektor (Benzin-Direkteinspritzung), der aufgrund der hohen Einspritzgeschwindigkeit und des Vorhandenseins von Kavitation eine besondere Herausforderung darstellt.

Alle durchgeführten Simulationen lieferten plausible Ergebnisse, die qualitativ und quantitativ mit den Messergebnissen übereinstimmten, was darauf hindeutet, dass die Turbulenz eine sehr wichtige Rolle beim primären Aufbrechprozess spielt und dass der Einfluss der internen Düsenkonstruktion bei der Spraycharakterisierung nicht vernachlässigt werden kann. Trotz gewisser Einschränkungen können High-Fidelity-CFD-Simulationen einen tieferen Einblick in die komplexen Strömungsmuster und ihre Auswirkungen auf den Strahlzerfall geben, was für Ingenieure, die an der Entwicklung von Düsendesigns beteiligt sind, von Nutzen sein kann, und die Ergebnisse könnten als Grundlage für die Verbesserung der Genauigkeit klassischer Lagrangescher Sprayberechnungen verwendet werden.