A combined 1D3D CFD approach for reducing mesh dependency in Diesel spray calculations

[EN] A 1D3D-CFD coupled spray model is proposed in this work for the simulation of Diesel sprays under non-evaporative conditions and constant injection velocity in time. The basic idea of the model is to reduce the poor estimations of the gas velocity and droplets/gas relative velocity obtained with the standard 3D-CFD Eulerian-Lagrangian spray model, when coarse meshes are used. The coupling has been achieved in the calculation of the momentum source interaction term. General considerations, descriptions and implementation of the model in a commercial CFD code are outlined. Diesel spray simulations performed using the proposed approach have been compared with those obtained with the standard 3D-CFD, 1D models and experimental data. Encouraging results were found in terms of spray evolution when changing meshes and ambient conditions. © 2011 Elsevier Ltd.This work has been founded by Universidad Politecnica de Valencia UPV under the FPI-UPV program and the public project TRA2007-68006-C02-01, from MICINN (Spain). Special thanks are extended to Dr. S. Hoyas and Dr. J.M. Pastor and Dr. M. Balthasar for the support and motivation.García-Oliver, JM.; Margot, X.; Chávez Cobo, MDJ.; Karlsson, A. (2011). A combined 1D3D CFD approach for reducing mesh dependency in Diesel spray calculations. Mathematical and Computer Modelling. 54(7):1732-1737. https://doi.org/10.1016/j.mcm.2011.01.041S1732173754

Modelado CFD Euleriano-Lagrangiano del chorro diesel y evaluación de su combinación con modelos fenomenológicos y unidimensionales

El objetivo principal de esta tesis ha sido el estudio del modelado Euleriano-Lagrangiano (E-L) 3D-CFD como herramienta para el análisis de la dinámica y estructura del chorro Diesel en condiciones de inyección y ambientales similares a las que existen en un motor. Como hipótesis simplificativas se ha considerado el chorro libre (sin interacción con la pared de la cámara de combustión) e inerte. La investigación ha partido de una revisión de los procesos físicos que tienen lugar en el chorro desde la perspectiva del modelado E-L 3D-CFD. Esta revisión ha permitido en primera instancia identi¿car las características y limitaciones del planteamiento. Seguidamente, se ha desarrollado una metodología de análisis de la estructura del chorro simulado basándose en indicadores con contrastación experimental, fundamentalmente la penetración del chorro, así como de otros que han permitido describir de manera detallada la dinámica del flujo en el chorro. Empleando estos indicadores se han llevado a cabo estudios de sensibilidad del modelo a diferentes parámetros numéricos y de sub-modelos de turbulencia y de chorro. En base a ellos se ha definido una con¿guración numérica de referencia para las simulaciones posteriormente realizadas. Por otra parte, la inconsistencia del modelo E-L estándar en la zona cercana a la tobera, debido a la alta densidad de gotas que invalida diferentes hipótesis de partida, ha dado pie al desarrollo de un planteamiento que combina un modelo Euleriano-1D basado en la teoría del chorro gaseoso turbulento con el E-L 3D-CFD. De esta manera se ha podido mejorar los resultados de las simulaciones de chorro en dicha zona. Finalmente, la comparación con resultados experimentales de las simulaciones en diferentes condiciones con los modelos estándar 3D y 1D3D ha permitido evaluar el planteamiento propuesto en esta tesis y completar una descripción y análisis de la evolución del chorro DieseChávez Cobo, MDJ. (2013). Modelado CFD Euleriano-Lagrangiano del chorro diesel y evaluación de su combinación con modelos fenomenológicos y unidimensionales [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/32954TESI

DEVELOPMENT OF A COMPUTATIONAL MODEL FOR A SIMULTANEOUS SIMULATION OF INTERNAL FLOW AND SPRAY BREAK-UP OF THE DIESEL INJECTION PROCESS

El proceso de atomización desde una vena o lámina líquida hasta multitud de gotas dispersas en un medio gaseoso ha sido un fenómeno de interés desde hace varias décadas, especialmente en el campo de los motores de combustión interna alternativos. Multitud de estudios experimentales han sido publicados al respecto, pues una buena mezcla de aire-combustible asegura una evaporación y combustión mucho más eficientes, aumentando la potencia del motor y reduciendo la cantidad de contaminantes emitidos. Con el auge de las técnicas computacionales, muchos modelos han sido desarrollados para estudiar este proceso de atomización y mezcla. Uno de los últimos modelos que han aparecido es el llamado ELSA (Eulerian-Lagrangian Spray Atomization), que utiliza un modelo Euleriano para la parte densa del chorro y cambia a un modelo Lagrangiano cuando la concentración de líquido es suficientemente pequeña, aprovechando de esta manera las ventajas de ambos. En el presente trabajo se ha desarrollado un modelo puramente Euleriano para estudiar la influencia de la geometría interna de la tobera de inyección en el proceso de atomización y mezcla. Se ha estudiado únicamente el proceso de inyección diésel. Este modelo permite resolver en un único dominio el flujo interno y el externo, evitando así las comunes simplificaciones y limitaciones de la interpolación entre ambos dominios resueltos por separado. Los resultados actuales son prometedores, el modelo predice con un error aceptable la penetración del chorro, el flujo másico y de cantidad de movimiento, los perfiles de velocidad y concentración, así como otros parámetros característicos del chorro.Martí Gómez-Aldaraví, P. (2014). DEVELOPMENT OF A COMPUTATIONAL MODEL FOR A SIMULTANEOUS SIMULATION OF INTERNAL FLOW AND SPRAY BREAK-UP OF THE DIESEL INJECTION PROCESS [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/43719TESISPremios Extraordinarios de tesis doctorale