Numerical studies for charge formation in combustion engines

Thumbnail Image

Files

isbn9789526081281.pdf (10.97 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2018-09-21
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2018

Department

Konetekniikan laitos
Department of Mechanical Engineering

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

84 + app. 106

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 150/2018

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.

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.

Description

Supervising professor

Larmi, Martti, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland

Thesis advisor

Kaario, Ossi, Dr., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Vuorinen, Ville, Asst. Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland

Keywords

internal combustion engines, gas direct injection, hybrid LES/RANS, wall modelling, wall heat transfer, polttomoottorit, kaasun suorasuihkutus, hybriditurbulenssimallinnus, seinämämallinnus, seinämälämmönsiirto

Other note

Parts

  • [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 View at publisher
  • [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 View at publisher
  • [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 View at publisher
  • [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.

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-8128-1

Collections

[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG