Numerical analysis of mixture formation in fuel sprays using advanced turbulence modeling

Abstract

As regulamentações de emissões em motores de combustão interna têm ficado cada vez mais rigorosas devido a preocupações ambientais e os impactos das emissões de gases poluentes na saúde. Para alcançar esses requisitos mais restritivos, simulação dos processos de combustão de motor tem sido extensivamente usadas a fim de projetar motores de combustão interna de forma mais rápida e com menor custo, permitindo uma melhor compreensão dos processos de injeção, evaporação e combustão assim como a otimização do motor visando maior eficiência e menor emissão de poluentes. Entretanto, a modelagem de combustão de spray é uma tarefa bastante desafiadora e um tópico ainda aberto na literatura, requerendo melhorias em diversos aspectos de suas aplicações. A revisão da literatura recente sobre modelagem de sprays de combustível sugere que a utilização da abordagem Large Eddy Simulation (LES) é de fundamental importância para representar de forma adequada as complexas interações entre spray e turbulência, que afetam todos os processos físicos de formação de mistura e combustão. Todavia, algumas deficiências foram identificadas quanto a precisão das simulações de sprays não-reativos, principalmente relacionados ao ajuste adequado de diferentes modelos e parâmetros numéricos e, em especial, no tamanho da malha, para capturar de forma adequada as interações entre o spray e a turbulência. Este trabalho apresenta a aplicação de modelos avançados de turbulência para o processo de spray em câmara estática, baseados na implementação do modelo de turbulência LES em um solver Lagrangeano para spray em OpenFOAM (código aberto). Os resultados obtidos para sprays não-reativos provam que resultados altamente precisos podem ser obtidos para comprimentos de penetração de líquido e vapor através da modelagem correta dos fenômenos envolvidos no spray e do adequado refinamento de malha para capturar corretamente as interações entre spray e turbulência. Esse trabalho contribui ainda com a proposta de um novo critério baseado no número de Stokes da gota, para o refinamento adaptativo de malha. Esse critério ainda permite avaliar até que extensão a dispersão turbulenta das gotas é adequadamente capturada para uma dada malha, usando a abordagem LES. Complementam o trabalho um estudo comparativo com modelos de turbulência baseados nas equações médias de Navier Stokes (RANS), análises de sensibilidade de condições ambientes na câmara estática e a influência das propriedades físicas do combustível em características importantes do spray não-reativo.

Abstract : Emissions standards for internal combustion engines are becoming ever more stringent due to environmental concerns and the impact on health from pollutant s emissions. To meet these stringent targets, computational fluid dynamics simulation of engine in-cylinder processes has been extensively used for engine design in a faster and more cost effective way, allowing better understanding of the injection, evaporation and combustion processes to optimize the engine for lower emissions and higher efficiencies. However, spray combustion modeling is a very challenging task and a topic still open in literature with areas that require improvements. The review of current literature on fuel spray modeling approaches suggests that the usage of Large Eddy Simulation (LES) is of critical importance in order to represent the complex interactions between spray and turbulence, that affects all the physical processes related to mixture formation and combustion. However, some deficiencies have been identified relatedto the accuracy of non-reacting spray simulations, mainly related to the adequate setup of different models and numerical parameters and, in special, the mesh size, to adequately capture the interactions between spray and turbulence. This work presents the application of advanced turbulence modeling to the spray injection process in a static chamber, based on the implementation of a LES turbulence model in a Lagrangian spray based solver in OpenFOAM (open source code). Results that have been obtained hitherto for non-reacting sprays have proven that highly accurate results can be obtained for liquid and vapor length penetrations by correct modeling of spray phenomena and adequate mesh refinement to correctly capture turbulence-spray interactions. This work also contributes with a proposal for a new criterion based on the droplet Stokes number, for adaptive mesh refinement. This criterion also allows to assess to what extent the droplets turbulent dispersion is properly captured for a given mesh size, using LES approach. Complement this work a turbulence model comparison based on the averaged Navier Stokes equations (RANS), sensitivity analyses of ambient conditions in the static chamber and, the influence of the fuel s physical properties in important characteristics of non-reacting sprays.