Large Eddy Simulation of In-Cylinder Flows
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2016-05-13
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
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
89 + app. 93
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 55/2016
Abstract
The internal combustion engine is an important part of the power generation world wide. In order to improve its efficiency and to decrease the generated emissions, a better understanding about the air flow within the cylinders of the engine is required. Large eddy simulation (LES), a computational method that has become feasible in the study of the internal combustion engines only during last decade, allows one to obtain a detailed view of different in-cylinder flow phenomena. Another advantage of LES is that it can be used to study unwanted variations in the mean quantities between different cycles, a phenomenon called cycle-to-cycle variation (CCV). The present dissertation considers the use of LES in the study of fluid flow within a single cylinder of an engine. The dissertation belongs to the field of computational physics, or more specifically, to computational fluid dynamics. The objectives of the dissertation are to study the requirements for the reliable LES of the in-cylinder flow and to demonstrate how to utilise the obtained data in order to study the CCV. In order to reach the objectives, four different flow cases were considered: a static valve-cylinder assembly, a realistic single-cylinder configuration, a turbulent pipe flow, and a simplified engine in the form of a non-static valve-cylinder assembly. The requirements for the reliable LES of in-cylinder flows were studied by concentrating on the resolution of the computational mesh, the suitability of the selected subgrid scale modelling approaches, and the effects of the non-stationary mesh on the outcome of the simulation. The overall in-cylinder flow features and the CCV were studied using velocity statistics, flow modifications, and nonlinear time series analysis. The results of the dissertation indicate that LES of an in-cylinder flow can be carried out reliably if the simulation is set up correctly. However, a very fine mesh is required especially in the near-wall region and the mesh motion can affect the results in a manner that is not consistent with mesh resolution. As a result of the present study, a new method has been demonstrated for evaluating the quality of moving mesh simulations. The results of the non-static valve-cylinder assembly simulations indicate that both the intake and the in-cylinder regions affect the CCV and that the CCV in the studied flow is a chaotic phenomenon.Polttomoottori on tärkeä osa energiatuotantoa maailmanlaajuisesti. Jotta sen tehokkuutta voidaan lisätä ja päästöjä vähentää, tulee moottorin sylintereissä virtaavan ilman käyttäytymistä ymmärtää paremmin. Suurten pyörteiden menetelmä (engl. large eddy simulation, LES) on laskennallinen menetelmä jonka käyttö polttomoottoreiden simuloinnissa on tullut mahdolliseksi vasta edellisen vuosikymmenen aikana. Menetelmän avulla moottorin sylinterin sisällä tapahtuvia virtauksia voidaan tarkastella aiempaa yksityiskohtaisemmin. Toinen suurten pyörteiden menetelmän tärkeä ominaisuus on sen kyky havaita moottorin syklien keskiarvosuureissa tapahtuvia ei-toivottuja vaihteluita - ilmiö jota kutsutaan syklivaihteluksi (engl. cycle-to-cycle variation, CCV). Tässä väitöskirjassa käsitellään suurten pyörteiden menetelmän käyttöä moottorin sylinterin sisällä tapahtuvan virtauksen tutkimiseen. Väitöskirja kuuluu laskennallisen fysiikan alaan, tarkemmin laskennallisen virtausmekaniikan alaan. Väitöskirjan tavoitteina on tutkia millaisia vaatimuksia sylinterin sisäisen virtauksen luotettava simulointi suurten pyörteiden menetelmällä asettaa ja sitä, kuinka simulaation tuloksia voidaan hyödyntää syklivaihteluiden tutkimuksessa. Tavoitteisiin pyrittiin tutkimalla neljää erilaista virtaustilannetta: liikkumatonta venttiili-sylinteri-yhdistelmää, todenmukaista yksisylinterikokoonpanoa, turbulenttia putkivirtausta ja yksikertaistettua moottoria liikkuvan venttiili-sylinteri-yhdistelmän muodossa. Vaatimuksia sylinterin sisäisten virtauksien luotettavalle simuloinnille suurten pyörteiden menetelmällä tutkittiin tarkastelemalla laskennalliselta hilalta vaadittavaa resoluutiota, alihilamallien soveltuvuutta ja liikkuvan hilan vaikutuksia lopputuloksiin. Sylinterin sisällä tapahtuvien virtausten rakennetta ja syklivaiteluita tutkittiin tarkastelemalla virtauksen nopeusstatistiikkoja sekä käyttämällä virtauksien muokkauksia ja epälineaarista aikasarja-analyysiä. Väitöskirjan tulosten mukaan suurten pyörteiden menetelmällä voidaan simuloida sylinterin sisäistä virtausta luotettavasti jos simulaatio valmistellaan sopivasti. Tämä vaatii kuitenkin erittäin tiheää laskentahilaa ja lisäksi hilan liike voi vaikuttaa tuloksiin tavalla, joka ei ole suoraan yhteydessä hilan resoluutioon. Tutkimuksen tuloksena on esitetty uusi menetelmä liikkuvan hilan simulaatioiden laadun arviointiin. Liikkuvaa venttiili-sylinteri-yhdistelmää simuloimalla saadut tulokset osoittavat, että virtaus sekä imukanavissa että sylinterissa vaikuttavat syklivaihteluihin ja että syklivaihtelu on kaoottinen ilmiö tutkitussa tapauksessa.Description
Supervising professor
Vuorinen, Ville, Assistant Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, FinlandThesis advisor
Kaario, Ossi, Dr., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, FinlandOther note
Parts
- [Publication 1]: Jukka-Pekka Keskinen, Ville Vuorinen and Martti Larmi. Large Eddy Simulation of Flow over a Valve in a Simplified Cylinder Geometry. SAE Technical Paper, 2011-01-0843, 2011.DOI: 10.4271/2011-01-0843
-
[Publication 2]: Jukka-Pekka Keskinen, Ville Vuorinen, Ossi Kaario and Martti Larmi. Large Eddy Simulation of the Intake Flow in a Realistic Single Cylinder Configuration. SAE Technical Paper, 2012-01-0137, 2012.
DOI: 10.4271/2012-01-0137 View at publisher
-
[Publication 3]: Jukka-Pekka Keskinen, Ville Vuorinen, Ossi Kaario and Martti Larmi. Influence of Mesh Deformation on the Quality of Large Eddy Simulations. Accepted for publication in International Journal for Numerical Methods in Fluids, December 2015.
DOI: 10.1002/fld.4215 View at publisher
-
[Publication 4]: Jukka-Pekka Keskinen, Ville Vuorinen, Ossi Kaario and Martti Larmi. Large eddy simulation of a piston-cylinder assembly: the sensitivity of the in-cylinder flow field for residual intake and in-cylinder velocity structures. Computers and Fluids, 122, 123–135, 2015.
DOI: 10.1016/j.compfluid.2015.08.028 View at publisher
-
[Publication 5]: Jukka-Pekka Keskinen, Ville Vuorinen, and Ossi Kaario. Nonlinear time series analysis from large eddy simulation of an internal combustion engine. International Journal of Heat and Fluid Flow, 57, 79–90, 2016.
DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2015.11.009 View at publisher