Modelling and validation of an industrial optical spray combustion chamber using OpenFOAM
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Master's thesis
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
2024-11-18
Department
Major/Subject
Energy Conversion Processes
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions
Language
en
Pages
83
Series
Abstract
In direct injection combustion engines, optimised mixture formation strategies are needed in order to have efficient and low emission combustion. However, this requires detailed knowledge of the spray characteristics of an injector, which can be studied through a spray combustion chamber. Nevertheless, the results are often limited to optical data. Therefore, computational fluid dynamics simulations are needed to obtain the accurate spatial and temporal variation of the flow variables. In order to study the spray characteristics of a hydraulic common rail sac-hole diesel injector, this thesis constructs a numerical model of an industrial spray combustion chamber. The model uses an Eulerian-Lagrangian description for the compressible multiphase flow, and Reynolds-averaging for turbulence modelling. Additionally, various spray sub-models are configured, in order to have good correspondence with experimental tests performed in cold and reactive conditions. The simulation results show good correspondence to measurements obtained through Mie scattering, schlieren imaging and OH chemiluminescence. With directly integrated chemistry into the simulations, the ignition behaviour between simulations and experiments is seen to match very well. However, in order to evaluate industrial best practices for fuel injection simulations, several modelling sensitivities are outlined in this thesis. The highest sensitivities are found to be with respect to the rate of injection profile, turbulence model, chamber temperature, and the chemical mechanism used. Lastly, this thesis suggests corrections to the injection rate profiles obtained from Bosch tube and Zeuch methods, as well as tuning guidelines for turbulence models based on literature.Tehokkaaseen ja vähäpäästöiseen palamiseen suoraruiskumoottoreissa vaaditaan optimaalinen ruiskutustekniikka. Tällöin kuitenkin tarvitaan tarkkaa tietoa polttoainesuihkun ominaisuuksista, joita voidaan kokeellisesti tutkia polttokammion avulla. Kyseiset tulokset ovat kuitenkin vain rajattuja optiseen dataan, joten virtauslaskentaan perustuvia simulaatioita tarvitaan, jotta voidaan tarkasti määrittää virtauksen eri muuttujien ajallinen ja paikallinen variaatio. Tässä diplomityössä toteutetaan optisen spray-polttokammion numeerinen malli hydraulisen yhteispaineruiskusuuttimen polttoainesuihkun ominaisuuksien tutkimiseen. Mallinnettu kokoonpuristuva ja monifaasinen virtaus hyödyntää Eulerilaista sekä Lagrangelaista tarkastelutapaa eri faaseille, sekä RANS-menetelmää turbulenssin mallintamiseen. Lisäksi hyödynnetään useita alimalleja hyvän vastaavuuden saavuttamiseksi simulaatioiden ja kokeellisten testien välille kylmissä sekä reaktiivisissa olosuhteissa. Työn simulaatiotulokset osoittavat hyvää vastaavuutta Mie-hajonnan, schlieren-kuvauksen sekä OH-kemiluminesenssin avulla tehtyihin optisiin mittauksiin. Suoraan simulaatioihin integroidun kemian ansiosta, simulaatioiden ja testien välillä havaittu syttymiskäyttäytyminen osoittaa hyvää vastaavuutta. Parhaiden käytäntöjen muodostamiseksi simulaatiomallille toteutettiin tässä työssä herkkyysanalyysi. Suurimmat herkkyydet havaittiin käytetyssä ruiskutuskäyrässä, turbulenssimallissa, kammion lämpötilassa ja käytetyssä kemiallisessa mekanismissa. Lopuksi tässä työssä ehdotetaan korjauksia simulaatioissa käytettäviin paineesta mitattuihin ruiskutuskäyriin sekä annetaan säätöohjeet käytetylle turbulenssimallille kirjallisuuteen perustuen.Description
Supervisor
Kaario, OssiThesis advisor
Keskinen, KarriTekgul, Bulut
Keywords
fuel injection, CFD, multiphase flow, compressible flow, URANS, reactive flow