The influence of certain submodels on diesel engine modeling results

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2007-03-16
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
50, [64]
Series
Publications of the Internal Combustion Engine Laboratory, Helsinki University of Technology, Teknillisen korkeakoulun polttomoottorilaboratorion julkaisuja, 82
Abstract
This thesis considers several aspects of the application of CFD to the study of diesel engines. In this work, certain submodels used in diesel engine modeling have been compared and analyzed. The submodels studied are related to the modeling of turbulence, drop breakup, ignition, chemistry, combustion, and emissions. Most of the submodels have been used extensively in different engines and with different engine loads. Many of the models have been implemented by the author and some of the models have been modified for better predictive capabilities. The results from the comparison of turbulence models showed that the best pressure trend predictive capabilities were with a modified version of the RNG k-ε turbulence model. The tests using a LES model for turbulence showed, however, that more research is needed before it can be applied completely. Considering droplet breakup modeling, good results were obtained in terms of spray penetration and drop sizes with different models. It was also observed that even more important than the chosen drop breakup model is the proper tuning of the chosen model according to the experimental conditions. Comparison of two different ignition treatments revealed that, especially under low-load conditions, accurate modeling of the ignition process becomes important. The results from different descriptions of the main chemistry, as well as from the comparison of two very different mixing models of combustion, suggest that the mixing-limited assumption in the modeling of the heat release rate in diesel engines is a good approximation. Soot emissions have been predicted with the Hiroyasu-Magnussen soot model, as well as with a proposed soot model that is based on available soot Phi-T maps. The developed soot model was compared with the Hiroyasu-Magnussen model with different engine loads and to the measured soot emissions, and it was observed to yield promising results.

Tässä väitöskirjassa tarkastellaan dieselmoottorien kehitystyössä käytettävien numeeristen osamallien vaikutuksia simulointituloksiin ja vaikutusten merkitystä simulointitulosten kannalta. Eri osamalleja ja niiden vaikutuksia on analysoitu ja vertailtu useissa eri moottoreissa ja käyttötilanteissa. Osamallit liittyvät turbulenssin, pisaroiden hajoamisen, polttoainehöyryn syttymisen, kemiallisten reaktioiden, palamisen kuvauksen ja päästöjen syntymisen mallintamiseen. Monet osamalleista on liitetty virtauslaskentaohjelmistoon kirjoittajan toimesta ja joitakin malleja on modifioitu niiden ennustusominaisuuksien parantamiseksi. Turbulenssimallien vertailu osoitti, että parhaan sylinterin painekäyrän ennustekyvyn antoi modifioitu RNG k-ε malli. LES-mallinnus sopii moottoreille hyvin mutta työssä huomattiin, että LES-mallinnusta tulee vielä kehittää, jotta siitä saadaan varteenotettava työkalu. Pisaroiden hajoamisen mallinnuksessa suihkujen tunkeumat ja pisarakoot vastasivat hyvin mitattuja tuloksia. Työssä havaittiin myös, että vielä tärkeämpää kuin sopivan pisaroiden hajoamismallin valinta, on valitun mallin säätäminen vallitsevissa olosuhteissa tehtyjen mittaustulosten mukaan. Polttoainehöyryn syttymisen mahdollisimman todenmukainen kuvaus osoittautui tärkeäksi varsinkin alhaisilla moottorin kuormilla. Palamismallien ja eri palamiskemioiden tuloksista nähtiin, että oletus turbulentin sekoituksen rajoittamasta lämmönvapautumisesta on varsin hyvä approksimaatio. Kehitetty nokimalli, joka perustuu olemassa olevien ilmakerroin-lämpötila -nokikarttojen käyttöön, antoi lupaavia tuloksia verrattuna Hiroyasu-Magnussen nokimalliin.
Description
Keywords
diesel combustion modeling, computational fluid dynamics, turbulence, fuel spray, emissions, dieselmoottorin palamisen simulointi, virtauslaskenta, turbulenssi, polttoainesuihku, päästöt
Other note
Parts
  • Kaario, O. T., Larmi, M., and Tanner, F. X., Relating Integral Length Scale to Turbulent Time Scale and Comparing k-ε and RNG k-ε Turbulence Models in Diesel Combustion Simulation. SAE 2002 Transactions Journal of Engines, pp. 1886-1900, SAE 2002-01-1117, 2002.
  • Kaario, O. T., Pokela, H., Kjäldman, L., Tiainen, J., and Larmi, M., LES and RNG Turbulence Modeling in DI Diesel Engines. SAE Paper 2003-01-1069, Detroit, 3.3.-6.3.2003.
  • Kaario, O. T., Larmi, M., and Tanner, F. X., Non-Evaporating Liquid Spray Simulations with the ETAB and WAVE Droplet Breakup Models. Ilass-Europe 2002, Zaragoza, 9.9.-11.9.2002.
  • Kaario, O. T., Larmi, M., and Tanner, F. X., Comparing Single-Step and Multi-Step Chemistry Using the Laminar and Turbulent Characteristic Time Combustion Model in Two Diesel Engines. SAE Paper 2002-01-1749, Reno, 6.5.-9.5.2002.
  • Kaario, O. T., Comparison Between Single-Step and Two-Step Chemistry in a Compression Ignition Free Piston Engine. SAE Paper 2000-01-2937, Baltimore, 16.10.-19.10.2000.
  • Kaario, O. T., Antila, E., and Larmi, M., Applying Soot Phi-T Maps for Engineering CFD Applications in Diesel Engines. SAE Paper 2005-01-3856, San Antonio, USA, 24.10.-27.10.2005.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-009086