Numerical simulation of partially premixed combustion using a flame surface density approach

Partially premixed combustion is characterized by a variable equivalence ratio of the mixture in space and time, and where there are both lean and rich mixture zones. Thus the reaction evolves along with a turbulent mixture process, which modifies the composition of reactants and products. In this situation a so-called triple flame could be encountered, in which a rich and a lean premixed flame front as well as a diffusion flame are present. The diffusion flame develops behind the premixed flame front due to turbulent mixing in the hot combustion products. This kind of combustion could be found in Direct Injection Spark Ignition (DISI) engines when they are operated in the stratified charge mode. The model considered in this work assumes a simplified one-step irreversible chemical reaction in which fuel and oxidant react together in stoichiometric proportions giving products with the composition corresponding to a complete combustion. A transport equation is solved for the oxidant and fuel, from which the amount of products and the combustion progress are computed, while the turbulence is modeled with RANS (Reynolds-Average Navier-Stokes). The reaction rate is assumed in the model as proportional to the product of the Flame Surface Density (FSD) by the local laminar flame speed. Aside from the state and composition of the mixture, the local laminar flame speed is afected by the turbulent mixing process. This mixing process is taken into account by means of the classical β-PDF (Probability Density Function), which is a function of the mixture fraction and its variance. A transport equation is solved for both, the mixture fraction and its variance, and the FSD is computed through a transport equation where several models are available for the source terms. The model is implemented in the open-source toolkit OpenFOAM®. Computational results are obtained for partially premixed combustions inside constant-volume vessels with several initial configurations, which are compared with numerical results available in the literature.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 16.Facultad de Ingenierí

Numerical simulation of partially premixed combustion using a flame surface density approach

Partially premixed combustion is characterized by a variable equivalence ratio of the mixture in space and time, and where there are both lean and rich mixture zones. Thus the reaction evolves along with a turbulent mixture process, which modifies the composition of reactants and products. In this situation a so-called triple flame could be encountered, in which a rich and a lean premixed flame front as well as a diffusion flame are present. The diffusion flame develops behind the premixed flame front due to turbulent mixing in the hot combustion products. This kind of combustion could be found in Direct Injection Spark Ignition (DISI) engines when they are operated in the stratified charge mode. The model considered in this work assumes a simplified one-step irreversible chemical reaction in which fuel and oxidant react together in stoichiometric proportions giving products with the composition corresponding to a complete combustion. A transport equation is solved for the oxidant and fuel, from which the amount of products and the combustion progress are computed, while the turbulence is modeled with RANS (Reynolds-Average Navier-Stokes). The reaction rate is assumed in the model as proportional to the product of the Flame Surface Density (FSD) by the local laminar flame speed. Aside from the state and composition of the mixture, the local laminar flame speed is afected by the turbulent mixing process. This mixing process is taken into account by means of the classical β-PDF (Probability Density Function), which is a function of the mixture fraction and its variance. A transport equation is solved for both, the mixture fraction and its variance, and the FSD is computed through a transport equation where several models are available for the source terms. The model is implemented in the open-source toolkit OpenFOAM®. Computational results are obtained for partially premixed combustions inside constant-volume vessels with several initial configurations, which are compared with numerical results available in the literature.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 16.Facultad de Ingenierí

Numerical simulation of partially premixed combustion using a flame surface density approach

Partially premixed combustion is characterized by a variable equivalence ratio of the mixture in space and time, and where there are both lean and rich mixture zones. Thus the reaction evolves along with a turbulent mixture process, which modifies the composition of reactants and products. In this situation a so-called triple flame could be encountered, in which a rich and a lean premixed flame front as well as a diffusion flame are present. The diffusion flame develops behind the premixed flame front due to turbulent mixing in the hot combustion products. This kind of combustion could be found in Direct Injection Spark Ignition (DISI) engines when they are operated in the stratified charge mode. The model considered in this work assumes a simplified one-step irreversible chemical reaction in which fuel and oxidant react together in stoichiometric proportions giving products with the composition corresponding to a complete combustion. A transport equation is solved for the oxidant and fuel, from which the amount of products and the combustion progress are computed, while the turbulence is modeled with RANS (Reynolds-Average Navier-Stokes). The reaction rate is assumed in the model as proportional to the product of the Flame Surface Density (FSD) by the local laminar flame speed. Aside from the state and composition of the mixture, the local laminar flame speed is afected by the turbulent mixing process. This mixing process is taken into account by means of the classical β-PDF (Probability Density Function), which is a function of the mixture fraction and its variance. A transport equation is solved for both, the mixture fraction and its variance, and the FSD is computed through a transport equation where several models are available for the source terms. The model is implemented in the open-source toolkit OpenFOAM®. Computational results are obtained for partially premixed combustions inside constant-volume vessels with several initial configurations, which are compared with numerical results available in the literature.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 16.Facultad de Ingenierí

Diseño de automóviles de competición mediante fluidodinámica computacional

Impulsado por el incremento de las capacidades de cómputo en los últimos años, el CFD se ubica como herramienta indispensable para los ingenieros en la optimización de diseños de automóviles. Particularmente en la competición, estos se encuentran acotados a un reglamento siempre restrictivo, y se deben evaluar diferentes diseños para los pocos componentes plausibles de ser modificados para lograr optimizar la respuesta en pista. En nuestro país también se dió un salto muy importante en cuanto a la capacidad de cómputo, lo que permite incorporar la tecnología de simulación CFD en los desarrollos de las categorías locales. Sin embargo aparecen nuevos retos relacionados con la simulación a gran escala: generación de mallas de calidad, selección de modelos de turbulencia, planificación de estrategias robustas y precisas de discretización espacial y temporal, y por último la automatización de procesos que disminuyan el trabajo de preproceso para dedicarlo al post-proceso y al análisis de resultados para la toma de decisiones. Este trabajo presenta entonces un recorrido por los desarrollos efectuados durante el último tiempo en CIMEC en donde se evaluan simulaciones conceptuales como el flujo alrededor de una rueda o de un spoiler para establecer una guía de modelos numéricos a utilizar y describir la fenomenología de estos componentes. A su vez se presentan algunas de las diferentes simulaciones de producción en donde en base a la aplicación de rutinas automatizadas, empleo de las configuraciones apropiadas y herramientas de cómputo de gran rendimiento, se logran respuestas en tiempo y forma a las necesidades y urgencias del mundo del automovilismo.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 7.Facultad de Ingenierí

Diseño de automóviles de competición mediante fluidodinámica computacional

Impulsado por el incremento de las capacidades de cómputo en los últimos años, el CFD se ubica como herramienta indispensable para los ingenieros en la optimización de diseños de automóviles. Particularmente en la competición, estos se encuentran acotados a un reglamento siempre restrictivo, y se deben evaluar diferentes diseños para los pocos componentes plausibles de ser modificados para lograr optimizar la respuesta en pista. En nuestro país también se dió un salto muy importante en cuanto a la capacidad de cómputo, lo que permite incorporar la tecnología de simulación CFD en los desarrollos de las categorías locales. Sin embargo aparecen nuevos retos relacionados con la simulación a gran escala: generación de mallas de calidad, selección de modelos de turbulencia, planificación de estrategias robustas y precisas de discretización espacial y temporal, y por último la automatización de procesos que disminuyan el trabajo de preproceso para dedicarlo al post-proceso y al análisis de resultados para la toma de decisiones. Este trabajo presenta entonces un recorrido por los desarrollos efectuados durante el último tiempo en CIMEC en donde se evaluan simulaciones conceptuales como el flujo alrededor de una rueda o de un spoiler para establecer una guía de modelos numéricos a utilizar y describir la fenomenología de estos componentes. A su vez se presentan algunas de las diferentes simulaciones de producción en donde en base a la aplicación de rutinas automatizadas, empleo de las configuraciones apropiadas y herramientas de cómputo de gran rendimiento, se logran respuestas en tiempo y forma a las necesidades y urgencias del mundo del automovilismo.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 7.Facultad de Ingenierí

Modelización de la inyección directa en motores de combustión interna usando una formulación Euleriana-Lagrangiana

La inyección directa de combustible en motores con ciclo Otto es una estrategia que permite reducir el consumo de combustible y las emisiones contaminantes. En condiciones de carga parcial, la inyección directa permite trabajar con relaciones relativas aire-combustible de la mezcla superiores a la unidad. De esta forma, es posible aumentar la cantidad total de aire que ingresa en el cilindro, por lo que se reducen las pérdidas por bombeo y se mejora la eficiencia del ciclo termodinámico. Para maximizar el rendimiento de la combustión, es necesario configurar los diferentes parámetros del sistema de forma tal de conseguir la distribución deseada de aire-combustible en la cámara de combustión. Dentro de los parámetros más importantes se encuentran la ubicación del inyector de combustible, la curva de inyección, la geometría de la cámara de combustión y las características cinemáticas del flujo dentro del cilindro. En este trabajo, se propone utilizar una herramienta basada en la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD por Computational Fluid Dynamics) para resolver la inyección directa de nafta en motores de combustión interna. El combustible inyectado se representa mediante un modelo Lagrangiano utilizando partículas, las cuales interactúan con la fase gaseosa intercambiando masa, momento y energía. Por otro lado, la fase gaseosa se resuelve mediante una formulación Lagrangiana-Euleriana-Arbitraria (ALE por Arbitrary Lagrangian Eulerian) necesaria para contemplar el comportamiento dinámico del motor. El modelo computacional se implementa en la suite OpenFOAM(R) donde las herramientas de malla dinámica y de seguimiento de gotas de combustible (partículas) se integran en un solver de flujo compresible. El modelo computacional se utiliza para estudiar la inyección directa de nafta en un motor de pistones opuestos desarrollado en la región. Se analiza la influencia de las diferentes variables del sistema de inyección con el objetivo de analizar las características de la mezcla aire-combustible para diferentes regímenes de funcionamiento del motor.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 42Facultad de Ingenierí

Contrastación de modelos para combustión premezclada en aplicaciones de motores de combustión interna

El empleo de la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD, por Computational Fluid Dynamics) se ha constituido actualmente en una etapa ineludible para el análisis detallado del flujo de gas dentro de los motores de combustión interna, tanto en el diseño como en su optimización, con el objetivo de aumentar rendimiento, prestaciones y reducir emisiones. La combustión es uno de los procesos más importantes relacionados con estos objetivos, requiriendo por lo tanto de modelos lo más robustos y precisos posible. Además, dado que la combustión en un motor de combustión interna se desarrolla en régimen turbulento, la modelación de la turbulencia y su interacción con el proceso de combustión son aspectos que deben considerarse en conjunto. En este trabajo se presentan resultados de la implementación de una librería de modelos para combustión premezclada en la suite OpenFOAM® integrada a un solver para flujo compresible. En particular, los modelos implementados corresponden a propuestas disponibles en la literatura donde se utiliza el concepto de flamelet para describir el frente de llama y una ecuación de transporte para la Densidad de Superficie de Llama (FSD, por Flame Surface Density), conocidos como modelos de combustión ECFM (Extendend Coherent Flame Model ). La ecuación para la FSD se resuelve en conjunto con una ecuación de transporte adicional para una variable de progreso de la combustión, además de las correspondientes ecuaciones de continuidad, momento y energía. La modelización de la turbulencia se realiza mediante modelos tipo RANS (Reynolds-Average Navier-Stokes), la cual es una hipótesis en el planteamiento de los modelos implementados. Por otro lado, se considera que la química del problema está representada por una ecuación irreversible de un paso, tornando a la variable de progreso de la combustión en un indicador de la generación de productos de la reacción. El encendido se resuelve, como primera aproximación, mediante la imposición de un valor para la FSD que surge de considerar un frente de llama esférico de un radio predeterminado en el momento y lugar de la ignición. Los modelos implementados se comparan en primer lugar en una bomba de combustión cúbica con turbulencia congelada y donde el encendido de la mezcla se produce en el centro de la misma. Luego se los aplica a un motor de combustión interna alternativo con cámara de combustión tipo pent-roof.Eje: Motores de combustión interna.Facultad de Ingenierí

Contrastación de modelos para combustión premezclada en aplicaciones de motores de combustión interna

El empleo de la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD, por Computational Fluid Dynamics) se ha constituido actualmente en una etapa ineludible para el análisis detallado del flujo de gas dentro de los motores de combustión interna, tanto en el diseño como en su optimización, con el objetivo de aumentar rendimiento, prestaciones y reducir emisiones. La combustión es uno de los procesos más importantes relacionados con estos objetivos, requiriendo por lo tanto de modelos lo más robustos y precisos posible. Además, dado que la combustión en un motor de combustión interna se desarrolla en régimen turbulento, la modelación de la turbulencia y su interacción con el proceso de combustión son aspectos que deben considerarse en conjunto. En este trabajo se presentan resultados de la implementación de una librería de modelos para combustión premezclada en la suite OpenFOAM® integrada a un solver para flujo compresible. En particular, los modelos implementados corresponden a propuestas disponibles en la literatura donde se utiliza el concepto de flamelet para describir el frente de llama y una ecuación de transporte para la Densidad de Superficie de Llama (FSD, por Flame Surface Density), conocidos como modelos de combustión ECFM (Extendend Coherent Flame Model ). La ecuación para la FSD se resuelve en conjunto con una ecuación de transporte adicional para una variable de progreso de la combustión, además de las correspondientes ecuaciones de continuidad, momento y energía. La modelización de la turbulencia se realiza mediante modelos tipo RANS (Reynolds-Average Navier-Stokes), la cual es una hipótesis en el planteamiento de los modelos implementados. Por otro lado, se considera que la química del problema está representada por una ecuación irreversible de un paso, tornando a la variable de progreso de la combustión en un indicador de la generación de productos de la reacción. El encendido se resuelve, como primera aproximación, mediante la imposición de un valor para la FSD que surge de considerar un frente de llama esférico de un radio predeterminado en el momento y lugar de la ignición. Los modelos implementados se comparan en primer lugar en una bomba de combustión cúbica con turbulencia congelada y donde el encendido de la mezcla se produce en el centro de la misma. Luego se los aplica a un motor de combustión interna alternativo con cámara de combustión tipo pent-roof.Eje: Motores de combustión interna.Facultad de Ingenierí

La importancia de la dinámica de mallas en la simulación de motores de combustión interna: algunas nuevas tendencias

La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD por Computational Fluid Dynamics) es una herramienta muy adecuada y poderosa para el estudio de motores de combustión interna. Sin embargo, es necesario emplear herramientas específicas que permitan abordar las características dinámicas de la geometría de los motores. Se identifican principalmente dos rasgos problemáticos. En primera instancia, se requiere afrontar las grandes variaciones de volumen que sufre el cilindro durante las diferentes carreras. Por otra parte, se debe resolver la interacción entre el cilindro y los puertos de admisión y escape, la cual es variable a lo largo del ciclo de funcionamiento. En este contexto, este trabajo presenta nuevas estrategias en la temática de mallas dinámicas con el objetivo de resolver motores de combustión interna. En particular, se detallan las contribuciones realizadas sobre la conocida técnica de Layering, la cual se utiliza para adaptar la malla acorde al movimiento del pistón dentro del cilindro para evitar relaciones de aspecto de mallas exageradas. Se presentan métodos para poder controlar el tamaño de la malla en las diferentes zonas del cilindro y se propone un nuevo esquema para implementar la técnica mediante cómputo en paralelo. Por otro lado, la interacción entre puertos y cilindros se resuelve mediante una técnica de interfaces llamada IMAA (Interfaz de Malla Acoplada Arbitraria) la cual se adapta para funcionar de forma combinada con Layering. Las nuevas herramientas son implementadas en la suite OpenFOAM(R), donde se las incorpora dentro del marco de un solver de flujo compresible. Las funcionalidades de malla dinámica se adoptan para simular el ciclo completo en un motor de pistones opuestos de dos tiempos en donde se evalúan las características del flujo resultante.Eje: Motores de combustión interna.Facultad de Ingenierí

Contrastación de modelos para combustión premezclada en aplicaciones de motores de combustión interna

El empleo de la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD, por Computational Fluid Dynamics) se ha constituido actualmente en una etapa ineludible para el análisis detallado del flujo de gas dentro de los motores de combustión interna, tanto en el diseño como en su optimización, con el objetivo de aumentar rendimiento, prestaciones y reducir emisiones. La combustión es uno de los procesos más importantes relacionados con estos objetivos, requiriendo por lo tanto de modelos lo más robustos y precisos posible. Además, dado que la combustión en un motor de combustión interna se desarrolla en régimen turbulento, la modelación de la turbulencia y su interacción con el proceso de combustión son aspectos que deben considerarse en conjunto. En este trabajo se presentan resultados de la implementación de una librería de modelos para combustión premezclada en la suite OpenFOAM® integrada a un solver para flujo compresible. En particular, los modelos implementados corresponden a propuestas disponibles en la literatura donde se utiliza el concepto de flamelet para describir el frente de llama y una ecuación de transporte para la Densidad de Superficie de Llama (FSD, por Flame Surface Density), conocidos como modelos de combustión ECFM (Extendend Coherent Flame Model ). La ecuación para la FSD se resuelve en conjunto con una ecuación de transporte adicional para una variable de progreso de la combustión, además de las correspondientes ecuaciones de continuidad, momento y energía. La modelización de la turbulencia se realiza mediante modelos tipo RANS (Reynolds-Average Navier-Stokes), la cual es una hipótesis en el planteamiento de los modelos implementados. Por otro lado, se considera que la química del problema está representada por una ecuación irreversible de un paso, tornando a la variable de progreso de la combustión en un indicador de la generación de productos de la reacción. El encendido se resuelve, como primera aproximación, mediante la imposición de un valor para la FSD que surge de considerar un frente de llama esférico de un radio predeterminado en el momento y lugar de la ignición. Los modelos implementados se comparan en primer lugar en una bomba de combustión cúbica con turbulencia congelada y donde el encendido de la mezcla se produce en el centro de la misma. Luego se los aplica a un motor de combustión interna alternativo con cámara de combustión tipo pent-roof.Eje: Motores de combustión interna.Facultad de Ingenierí