Numerical studies for charge formation in combustion engines

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Kaario, Ossi, Dr., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
dc.contributor.advisor Vuorinen, Ville, Asst. Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
dc.contributor.author Keskinen, Karri
dc.date.accessioned 2018-09-05T09:03:05Z
dc.date.available 2018-09-05T09:03:05Z
dc.date.issued 2018
dc.identifier.isbn 978-952-60-8128-1 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-8127-4 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/33832
dc.description.abstract Modern lean and low-temperature combustion (LTC) techniques form a pathway towards increased efficiency and reduced emissions in internal combustion engines. However, combustion abnormalities (associated with efficiency detriments and unburned hydrocarbon emissions) constitute a major engineering challenge augmented by the inherent cyclic variation in engines. Fuel-air charge combustibility is highly dependent on local in-cylinder metrics such as flow turbulence, mixture composition and temperature, for which experimental investigations are difficult. Thereby, it would be highly beneficial to develop fast and accurate computational tools capable of reliably describing charge formation phenomena such as turbulent mixing, wall heat transfer and thermal stratification. The primary aim of this dissertation is to enhance understanding and predictive accuracy of scale-resolving wall-bounded simulations pertinent to charge formation, hoping to facilitate improved comprehension and mitigation of combustion abnormalities in future studies. As a secondary objective, mixture formation trends are assessed in the context of gas direct injection, a modern fuel supply technique for lean charges.  The present computational fluid dynamics (CFD) studies include statistical (Reynolds-averaged simulation; RANS) and filtered (large eddy simulation; LES) turbulence modelling approaches. Model-centric near-wall approaches are emphasised due to their reduced computational load compared to direct numerical simulation (DNS) and wall-resolved LES. In particular, implementation and validation is carried out for a zonal hybrid LES/RANS method with a specific near-wall treatment (HLR-WT). Simplified engine setups and academic flow configurations are employed as test cases, with reference data including (1) measurements and DNS of academic and engine-like flows, in addition to (2) planar laser induced fluorescence (PLIF) imaging and high-resolution LES of gas jets.  Direct gas injection investigations highlight both independent and combined effects of injection pressure, timing and nozzle type. In scale-resolving simulations, hybrid LES/RANS methods provide varying improvements on coarse-grid LES, while methodology-specific characteristics should be acknowledged in practical utilisation. The novel methodological combination HLR-WT displays enhanced grid flexibility in academic configurations and promising results in engine-like flows. In particular, turbulent heat transfer characteristics, near-wall scaling and thermal stratification trends are relatively accurately reproduced in the highly demanding compression stroke with mild grid sensitivity. This is a positive indication of applicability in engineering-relevant, higher Reynolds number configurations. en
dc.description.abstract Modernit laihan seoksen ja alhaisen lämpötilan palamistekniikat mahdollistavat korkeamman hyötysuhteen ja alhaisemmat päästöt polttomoottoreissa. Tehohäviöihin ja palamattomiin hiilivetypäästöihin liittyvät palamisprosessin epänormaaliudet ja moottorivirtauksille ominaiset sykliset vaihtelut luovat kuitenkin merkittäviä haasteita. Polttoaine-ilma-seoksen palamiskelpoisuus riippuu sylinterin sisäisistä suureista, kuten virtauksen turbulenssista, seoksen koostumuksesta ja lämpötilasta. Koska näiden suureiden kokeellinen tutkimus on haasteellista, on hyödyllistä kehittää nopeita ja tarkkoja laskennallisia työkaluja. Näiden tulisi kyetä luotettavaan kuvaukseen mm. turbulentin sekoittumisen, seinämälämmönsiirron ja termisen kerrostumisen osalta. Tämä väitöskirja tähtää turbulentteja virtausrakenteita ratkaisevan simuloinnin ymmärryksen ja ennustustarkkuuden parantamiseen seoksenmuodostukseen liittyvissä seinämävirtaustapauksissa. Oheistavoitteena tutkitaan seoksenmuodostuksen ja injektioparametrien riippuvuuksia kaasumaisen polttoaineen suorasuihkutuksessa.  Käytetyt laskennallisen virtausmekaniikan menetelmät hyödyntävät tilastollisia (RANS) ja suodatusperusteisia (LES) turbulenssimalleja. Mallikeskeiset seinämälähestymistavat ovat työssä olennaisia laskentakuorman säästön vuoksi. Työssä keskitytään erityisesti alueelliseen LES/RANS-hybridimenetelmään, johon on sisällytetty erityinen seinämäkäsittelymenetelmä (HLR-WT). Testitapauksina käytetään yksinkertaistettuja moottorigeometrioita sekä akateemisia virtaustapauksia. Referenssituloksina hyödynnetään (1) näiden virtaustapausten mittauksia ja suoraa numeerista simulointia (DNS), sekä (2) kaasusuihkujen laserfluoresenssimittauksia ja korkean resoluution laskentaa.  Kaasun suorasuihkutustulokset kertovat suihkutuspaineen, -ajoituksen ja suutintyypin itsenäisistä ja yhdistetyistä seoksenmuodostusvaikutuksista. Hybridimallit parantavat LES-laskennan tuloksia harvarakenteisilla hiloilla vaihtelevin tavoin, ja mallien menetelmäkohtaiset ominaisuudet tulee tiedostaa käytännön sovelluksissa. Uusi menetelmäyhdistelmä HLR-WT parantaa laskentahilan joustavuutta akateemisissa virtaustapauksissa ja tuottaa lupaavia tuloksia moottorinomaisissa virtauksissa. Erityisesti turbulentin lämmönsiirron ominaispiirteiden, seinämäsuureiden skaalautuvuuden ja lämpötilan kerrostumisen tulokset vertautuvat suhteellisen tarkasti referenssituloksiin vähäisellä hilakokoriippuvuudella. Tulokset ovat lupaavia insinöörityön kannalta merkittävien, suuremman Reynoldsin luvun konfiguraatioiden simuloinnissa. fi
dc.format.extent 84 + app. 106
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 150/2018
dc.relation.haspart [Publication 1]: Karri Keskinen, Ossi Kaario, Mika Nuutinen, Ville Vuorinen, Zaira Künsch, Lars Ola Liavåg, Martti Larmi. Mixture formation in a direct injection gas engine: Numerical study on nozzle type, injectionpressure and injection timing effects. Energy, 94, 542-556, January 2016. DOI: 10.1016/j.energy.2015.09.121
dc.relation.haspart [Publication 2]: Ville Vuorinen, Karri Keskinen. DNSLab: A gateway to turbulent flow simulation in Matlab. Computer Physics Communications, 203, 278-289, March 2016. DOI: 10.1016/j.cpc.2016.02.023
dc.relation.haspart [Publication 3]: Karri Keskinen, Mika Nuutinen, Ossi Kaario, Ville Vuorinen, Jann Koch, Yuri M. Wright, Martti Larmi, Konstantinos Boulouchos. Hybrid LES/RANS with wall treatment in tangential and impinging flowconfigurations. International Journal of Heat and Fluid Flow, 65, 141-158, April 2017. DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2017.04.001
dc.relation.haspart [Publication 4]: Karri Keskinen, Jann Koch, Yuri M. Wright, Martin Schmitt, Mika Nuutinen, Ossi Kaario, Ville Vuorinen, Martti Larmi, Konstantinos Boulouchos. Numerical assessment of wall-resolved and wall-modelledscale-resolving approaches for in-cylinder charge formation. Submitted to International Journal of Heat and Fluid Flow, 2018.
dc.subject.other Mechanical engineering en
dc.title Numerical studies for charge formation in combustion engines en
dc.title Numeerisia tutkimuksia polttomoottoreiden seoksenmuodostusta varten fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Insinööritieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Engineering en
dc.contributor.department Konetekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Mechanical Engineering en
dc.subject.keyword internal combustion engines en
dc.subject.keyword gas direct injection en
dc.subject.keyword hybrid LES/RANS en
dc.subject.keyword wall modelling en
dc.subject.keyword wall heat transfer en
dc.subject.keyword polttomoottorit fi
dc.subject.keyword kaasun suorasuihkutus fi
dc.subject.keyword hybriditurbulenssimallinnus fi
dc.subject.keyword seinämämallinnus fi
dc.subject.keyword seinämälämmönsiirto fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-8128-1
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Larmi, Martti, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
dc.opn Mihaescu, Mihai, Asst. Prof., Royal Institute of Technology, Sweden
dc.contributor.lab Thermodynamics and Combustion Technology en
dc.rev Bai, Xue-Song, Prof., Lund University, Sweden
dc.rev Hasse, Christian, Prof., TU Darmstadt, Germany
dc.date.defence 2018-09-21
local.aalto.acrisexportstatus checked


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account