Implementation of the Semi Empirical Kinetic Soot Model within Chemistry Tabulation Framework for Efficient Emissions Predictions in Diesel Engines

Soot prediction for diesel engines is a very important aspect of internal combustion engine emissions research, especially nowadays with very strict emission norms. Computational Fluid Dynamics (CFD) is often used in this research and optimisation of CFD models in terms of a trade-off between accuracy and computational efficiency is essential. This is especially true in the industrial environment where good predictivity is necessary for engine optimisation, but computational power is limited. To investigate soot emissions for Diesel engines, in this work CFD is coupled with chemistry tabulation framework and semi-empirical soot model. The Flamelet Generated Manifold (FGM) combustion model precomputes chemistry using detailed calculations of the 0D homogeneous reactor and then stores the species mass fractions in the table, based on six look-up variables: pressure, temperature, mixture fraction, mixture fraction variance, progress variable and progress variable variance. Data is then retrieved during online CFD simulation, enabling fast execution times while keeping the accuracy of the direct chemistry calculation. In this work, the theory behind the model is discussed as well as implementation in commercial CFD code. Also, soot modelling in the framework of tabulated chemistry is investigated: mathematical model and implementation of the kinetic soot model on the tabulation side is described, and 0D simulation results are used for verification. Then, the model is validated using real-life engine geometry under different operating conditions, where better agreement with experimental measurements is achieved, compared to the standard implementation of the kinetic soot model on the CFD side

Metoda LES jako narzędzie do analizy fluktuacji ciśnienia dla kolejnych cykli pracy w silnikach benzynowych o wtrysku bezpośrednim

The Large Eddy Simulation method (LES) has become a powerful computational tool for the application to turbulent flows. It links the classical Reynolds Averaged Navier–Stokes (RANS) approach and Direct Numerical Simulation (DNS). This means that the large eddies are computed explicitly in a time-dependent simulation using the filtered Navier-Stokes equations. The LES resolves the large flow scales that depend directly on the geometry where the small scales are modelled by the subgrid-scale models. LES is expected to improve the description of the aerodynamic and combustion processes in Internal Combustion Engines. This paper addresses the topic of developing the combustion model GCM (Gradient Combustion model) for the Large Eddy Simulation (LES) method. Another part of this paper presents numerical investigations of cycle-to-cycle combustion pressure variability with comparison to experimental data. The Gradient Combustion model (GCM) based on the Turbulent Flame Speed Closure Model (TFSCM) is validated against the experimental data for a multi-cycle gasoline direct injection research engine (SCRE). It is shown that the introduced combustion model is stable and capable of proper representation of the experimental results which is one of the assets of the LES method.Metoda LES jest obecnie zaawansowanym narzędziem numerycznym do analizy przepływów turbulentnych. Metoda LES opiera się na połączeniu klasyczej metody uśredniania równań Naviera-Stokes (RANS) z bezpośrednią analizą numeryczną (DNS). Oznacza to, że duże struktury wirowe są rozwiązywane niejawnie poprzez filtrowanie równań Naviera-Stokesa. W metodzie LES oznacza to obliczanie przepływu dużej skali, który zależy od geometrii, podczas gdy przepływ w małej skali jest modelowany modelem podsiatkowym (ang. Sub-grid-scale models, SGS). Uważa się, że metoda LES pozwoli na poprawienie numerycznego opisu aerodynamiki i procesów spalania w silnikach tłokowych. Artykuł przedstawia wyniki prac rozwojowych nad modelem spalania w metodzie LES. Model GCM (model spalania oparty na metodzie gradientu) został zastosowany do obliczeń wielocyklicznych i ich weryfikacji z wynikami eksperymentalnymi. Wyniki eksperymentalne pozyskano z badań na jednocylindrowym silniku badawczym (SCRE) o wtrysku bezpośrednim. W pracy pokazano, że model spalania jest stabilny numerycznie oraz otrzymane wyniki są zgodne z wynikami eksperymentalnymi, co jest jedną z ważniejszych zalet metody LES