مدل سازي عددي اغتشاش در جريان احتراقي اسپري ديزل با استفاده از روش شبيه سازي گردابه هاي بزرگ

Numerical Study of Turbulence in Diesel Spray Combustion Using Large Eddy Simulation

در موتورهاي ديزل پاشش مستقيم امروزي، فرآيندهاي اسپري و احتراق آن، از طريق اختلاط كنترل مي‌شوند. در روش شبيه سازي گردابه‌هاي بزرگ به دليل اينكه مقياس‌هاي بزرگ جريان به طور مستقيم حل مي‌شوند و مقيا سهاي كوچك مدل مي‌شوند، بنابراين اختلاط هوا و بخار سوخت به روش شبيه سازي گردابه‌هاي بزرگ بهتر پيش بيني مي‌شود و در نتيجه قابليت پيش بيني مشخصات جريان واكنشي افزايش مي يابد. در اين پژوهش اغتشاش در جريان احتراقي اسپري ديزل با استفاده از روش شبيه سازي گردابه‌هاي بزرگ و مدل احتراقي راكتور اختلاط جزئي بر روي كد EPISO-SPRAY مورد مطالعه قرار مي‌گيرد. با توسعه‌ي اين كد، روش شبيه سازي گردابه‌هاي بزرگ بر روي حلگر جريان دوفازي مربوط به اين كد اعمال مي‌شود كه درآن از ديدگاه اولري - لاگرانژي، ديناميك جريان بررسي مي‌شود و در نهايت با روش رنس مقايسه مي‌گردد. در اين پژوهش، به منظور شبيه سازي اغتشاش در جريان احتراقي اسپري ديزل از مدل‌هاي زيرشبكه‌ي اسماگورينسكي و اسماگورينسكي ديناميكي و مدل احتراقي راكتور اختلاط جزئي استفاده شده است و نشان داده شده كه استفاده از شبكه‌ي نسبتاً ريز نتايج قابل قبولي به دست مي‌دهد. نتايج به دست آمده از طول نفوذ اسپري غيرواكنشي در محيط گازي و همچنين پروفيل سرعت فاز گاز در مرحله‌ي مكش جريان هوا به درون سيلندر در موتور ديزل به منظور اعتبارسنجي عملكرد كد حاضر در جريان تك فازي و دوفازي با داده‌هاي تجربي مقايسه گرديده است كه نسبت به داده‌هاي تجربي داراي تطابق نسبتاً خوبي مي‌باشد، به طوري كه با مقايسه‌ي نتايج با داده‌هاي تجربي مي توان نتيجه گرفت كه نتايج شبيه سازي گردابه‌هاي بزرگ با شبكه‌ي ريز در جريان مغشوش غير واكنشي از نتايج رنس بهتر است. نتايج احتراق اسپري ديزل با دو روش شبيه سازي گردابه‌هاي بزرگ و رنس نيز با استفاده از سينتيك تك مرحله اي با نتايج تجربي گروه آزمايشگاهي سنديا مقايسه گرديده است. مشخصات كلي جريان واكنشي مغشوش اعم از طول نفوذ اسپري سوخت و بخار آن با استفاده از هر دو روش اغتشاشي به‌خوبي پيش بيني مي‌شود. با مقايسه‌ي شكل شعله با استفاده از دو روش اغتشاشي تفاوت‌هاي اندكي مي‌توان مشاهده نمود، ولي مقدار كمينه و بيشين هي دما در هر دو يكسان است.

Under modern direct injection diesel engine conditions, the spray and combustion processes are known to be controlled by mixing. In large eddy simulation method, large eddies are solved directly and small scales are modeled, so it can potentially improve the predictive capability by better capturing the large-scale mixing of ambient air with the fuel vapor. In this paper, turbulent spray combustion is studied using the large eddy simulation method together with partially stirred reactor model using EPISO- SPRAY code. To develop this code, large eddy simulation method is applied in an Eulerian – Lagranian approach in which conservation equations of both phases are solved and then results of large eddy simulation are compared with those of Reynolds averaged of Navier-Stocks. Simulation of spray combustion using different sub-grid scale models of large eddy simulation method (Simple Smagorinesky and dynamic Smagorinesky) with partially stirred reactor combustion model are presented here. It is shown that with a fine mesh, results are in good agreement with experimental data. Results of non-reacting spray penetration length in gas environment and velocity profile during the intake stage are compared with related experimental data in order to validate the EPISO-SPRAY code performance. It is proved in this study that large eddy simulation results with relative fine mesh are much better than the Reynolds-averaged Navier–Stokes equations results. Results of reacting liquid spray using simple step kinetic and fuel vapor penetration length are compared with experimental data. It is shown that overall characteristics of diesel spray combustion such as liquid spray penetration and fuel vapor penetration are both in good agreement with experimental data using Reynolds-averaged Navier– Stokes equations or large eddy simulation models. Although small differences in the flame shape are seen with the two methods, maximum and minimum temperatures are predicted to be the same in both models.