Development of a Framework for Internal Combustion Engine Simulations in OpenFOAM

High-accuracy simulations of internal combustion engines (ICE) allow deep insight into the physical processes of the different phases of the engine cycle: gas exchange, mixture formation, compression, combustion and emission formation. The commercial solvers for ICE simulations provide a full package which covers these areas. However, the user of such software is unable to look into the source code, making it impossible to implement new models or investigate possible implementation errors in the code, and costs arise due to licensing requirements for commercial solvers. Although the open source framework OpenFOAM already includes multiple classes and two solvers dedicated to internal combustion engine simulations, there is no way to move engine valves and piston simultaneously with its standard tools. Thus, this paper presents a new engine library for ICE simulations written for OpenFOAM. The new framework is capable of simulating a complete fired engine cycle. The piston and the valves are moved simultaneously. To address large deformations in the mesh, a methodology to avoid insufficient mesh quality was developed. Ignition and combustion is modeled with standard tools from OpenFOAM. To validate the method, the simulation results for the averaged in-cylinder quantities pressure, temperature and mass are compared with experimental data

Modeling Cycle-to-Cycle Variations of a Spark-Ignited Gas Engine Using Artificial Flow Fields Generated by a Variational Autoencoder

A deeper understanding of the physical nature of cycle-to-cycle variations (CCV) in internal combustion engines (ICE) as well as reliable simulation strategies to predict these CCV are indispensable for the development of modern highly efficient combustion engines. Since the combustion process in ICE strongly depends on the turbulent flow field in the cylinder and, for spark-ignited engines, especially around the spark plug, the prediction of CCV using computational fluid dynamics (CFD) is limited to the modeling of turbulent flows. One possible way to determine CCV is by applying large eddy simulation (LES), whose potential in this field has already been shown despite its drawback of requiring considerable computational time and resources. This paper presents a novel strategy based on unsteady Reynolds-averaged Navier–Stokes (uRANS) CFD in combination with variational autoencoders (VAEs). A VAE is trained with flow field data from presimulated cycles at a specific crank angle. Then, the VAE can be used to generate artificial flow fields that serve to initialize new CFD simulations of the combustion process. With this novel approach, a high number of individual cycles can be simulated in a fraction of the time that LES needs for the same amount of cycles. Since the VAE is trained on data from presimulated cycles, the physical information of the cycles is transferred to the generated artificial cycles

Simulation der Wechselwirkung zwischen Strömung und Flammenfront bei Staubexplosionen in geschlossenen Behältern

Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersStaubexplosionen stellen für viele Industriezweige eine große Gefahr dar. Aufgrund der feinen Verteilung, und damit einhergehend großen spezifischen Oberfläche können selbst Materialien, die unter normalen Umständen nicht explosiv sind, eine verheerende Deflagration in geschlossenen Behältern auslösen. Um die Auswirkungen eines solchen Ereignisses abzuschwächen, gibt es Explosionsunterdrückungsanlagen. Diese erkennen eine beginnende Explosion, und bringen ein Löschmittel in den Kessel ein, was ein Bersten verhindert. Die bisher verwendeten Modelle zur Vorhersage von Staubexplosionen basieren auf einer eindimensionalen Vereinfachung, welche nur für einen kugelförmigen Kessel mit zentrischer Zündung gültig ist. Für alle anderen Geometrien müssen empirische Formfaktoren verwendet werden. Weiters kann keine Vorhersage des Geschwindigkeitsfelds oder der Form der Flammenfront gemacht werden. Für industrielle Anwendungen ist die richtige Vorhersage des Druckverlaufs einer Staubexplosion essentiell. In dieser Arbeit werden die zur Auslegung solcher Anlagen verwendeten Modelle verbessert und erweitert. Die Modellannahmen sind die folgenden: Eine Explosion breite sich in einem geschlossenen Behälter, gefüllt mit ruhendem Fluid, welches als ideales Gas angenommen wird, aus. Edukte der Verbrennung seien ideal vermischt. Reibung, Wärmeleitung und Wärmeverlust an die Umgebung seien vernachlässigbar. Die Flammenfront sei unendlich dünn; sie wird somit als eine gasdynamische Diskontinuität modelliert. Aufgrund der Annahme, die Dicke der Flamme sei vernachlässigbar klein, entstehen intrinsische Instabilitäten, welche die Front deformieren. Dieses Phänomen, auch Darrieus-Landau-Instabilität genannt, wurde zuerst Mitte des vergangenen Jahrhunderts beschrieben. Nachdem in Experimenten aber die Existenz stabiler Flammenfronten gezeigt wurde, entwickelten eine Reihe von Wissenschaftlern verbesserte Modelle, welche Stabilisierungsmechanismen beinhalten. Staubexplosionen sind inhärent turbulent. Turbulente Schwankungsbewegungen der Geschwindigkeit können zu einer fein strukturieren, rauen Flammenfront führen. Hier betrachten wir eine gemittelte, glatte Flammenfrontfläche. Die Flammengeschwindigkeit, also die relative Geschwindigkeit der Flammenfront bezogen auf die Geschwindigkeit des unverbrannten Gases, hängt von der lokalen Krümmung und dem thermodynamischen Zustand ab. Das Modell ähnelt dem Markstein-Model für laminare Verbrennung. Der Vergleich mit Experimenten zeigt, dass die typischen Geschwindigkeiten, welche bei Deflagrationen auftreten, sehr viel kleiner sind als die Schallgeschwindigkeit. Daher führt eine asymptotische Entwicklung nach kleinen Quadraten der Mach-Zahl zu einem vernachlässigbaren Fehler, ermöglicht aber wesentliche Vereinfachungen des Modells: So ist der Druck in führender Ordnung nur eine Funktion der Zeit; gleiches gilt für die Divergenz des Geschwindigkeitsfelds. Weiters ist jedes materielle Fluidelement isentrop, ausgenommen direkt an der Flammenfront, wo Entropie produziert wird. Durch die spezielle Struktur des zu lösenden Problems ist eine Aufteilung des Geschwindigkeitsfelds nach Helmholtz in einen divergenzund einen rotationsfreien Anteil sinnvoll. Dies führt auf zwei zu lösende Poisson-Gleichungen für das Skalarund Vektorpotential, um die Gesamtgeschwindkgeit zu erhalten. Weiters werden nur Geometrien berücksichtigt, welche eine Symmetrieachse besitzen. Dies ermöglicht dreidimensionale, aber rotationssymmetrische Simulationen. An der Flammenfront müssen Bedingungen bezüglich des Sprungs der Feldgrößen Entropie, Wirbelstärke und Normalgeschwindigkeit erfüllt werden. Dies geschieht einerseits mittels Lagrange-Gitterpunkten, welche sich mit der Strömung mitbewegen, und andererseits über die Art der Verfolgung der Flammenfront. Das Skalarpotential wird mithilfe von Randelementmethoden, genannt Panel-Vefahren, berechnet. Für die Bestimmung des Vektorpotentials werden spektrale Methoden, Entwicklungen nach Kreisund Bessel-Funktionen, verwendet. Um die Implementierung zu verifizieren, wurden zwei Ansätze verfolgt: Einerseits zeigt der Vergleich einfacher Simulationen in einem unendlich langen Zylinder und einer Kugel eine perfekte Übereinstimmung zur eindimensionalen Theorie. Andererseits wurde mittels eines vereinfachten Modells, eine offene Kanalströmung ohne wesentlichen Druckanstieg, die lineare Stabilitätsanalyse nachvollzogen. Der Vergleich der Simulationsergebnisse mit experimentellen Daten ermöglicht die Bestimmung der effektiven Flammengeschwindigkeit. Die verfügbaren Daten lassen einen linearen Zusammenhang zwischen Flammengeschwindigkeit und Deflagrationsindex vermuten. Weiters kann die Flammenfrontposition und das Strömungsfeld visualisiert werden, etwas, das die eindimensionalen Modelle nicht können. Mögliche Erweiterungen wären die Berücksichtigung von unterschiedlichen Isentropenkoeffizienten in unverbranntem und verbranntem Gas, oder die Berücksichtigung von Explosionsentlüftungen und ein Einfluss der Kesselwand auf die Flammengeschwindigkeit.Dust explosions pose a risk for many different industries. Materials which are normally harmless can set off a disastrous deflagration inside closed vessels, due to their dispersion and high specific surface area. To mitigate the effects of such an event, explosion suppression devices can be installed. They detect an explosion, and shoot an extinguishing agent into the vessel, preventing it from rupture. The commonly used models to predict the behaviour of a dust explosion are based on a one-dimensional approximation. Thus, these models are only valid for perfect spheres where ignition happens in the centre. For vessels of a different geometry, empiric shape factors have to be used. Additionally, the velocity field and the shape of the flame front cannot be predicted. For industrial applications, the correct prediction of the pressure-time evolution of an explosion event is most important. In this thesis, the models used to design such devices are improved. We make the following assumptions: An explosion happens in a closed vessel. Initially, there is quiescent fluid which is assumed to be an ideal gas. The fuel and oxidiser are premixed. Friction, heat conduction and heat loss to the surroundings are neglected. The flame front is assumed to be infinitely thin. Thus, we consider it to be a gasdynamic discontinuity. Since the thickness of the flame is neglected, the front is intrinsically unstable. This instability is called Darrieus-Landau instability and was first discovered in the 1940s. However, experiments showed that plane, stable flame fronts are possible. Thus, over the last decades scientists improved the so-called ‘flame sheet models, where the flame is infinitely thin. Those improvements included mechanisms of stabilisation. Dust explosions are inherently turbulent. Turbulence can distort the flame front. Here, an averaged, smooth flame front is assumed. The burning velocity, i.e. the relative velocity of the flame front with respect to the unburnt gas just ahead of it, depends on the local curvature and the thermodynamic state. This is similar to the Markstein model for laminar combustion. Experimental data show that the typical speeds induced by a deflagration are much smaller than the speed of sound. Thus, an asymptotic expansion with respect to small squares of a reference Mach number leads to negligible errors. However, in that case, major simplifications are achieved: The leading-order pressure and the divergence of the flow field are time-dependent only. Each material element preserves its entropy, except at the flame front, where entropy is produced. Due to the special structure of the problem, Helmholtz decomposition is applied to the velocity field. This yields a divergence-free and irrotational part of the velocity and a scalar and vector potential. Both potentials are governed by Poissons equations. The geometry of the vessel is assumed to have a symmetry axis. Thus, three-dimensional, rotational symmetric simulations are possible. At the flame front, the entropy, the vorticity and the normal velocity experience a jump. To fulfil these jump conditions, Lagrangian mesh points moving with the flow are used. Additionally, a boundary element method, called panel method, is used to find the scalar potential. The vector potential is found by spectral methods, using sine, cosine and Bessel functions. Two different methods are used to verify the implementation. First, comparison of the full simulations with the one-dimensional theory shows excellent agreement. Second, the results from the linear stability analysis were reproduced using a simpler model, for describing unconfined combustion inside a channel with almost no pressure change. Comparison of the simulation results with experimental data yields the effective burning velocity at reference state. The available data suggest a linear dependency of the burning velocity on the deflagration index. Additionally, the shape of the flame front and the flow field can be visualised, which cannot be done by the simple one-dimensional approximations. Future extensions could account for different ratios of specific heats in unburnt and burnt gas, or to consider explosion venting and an influence of the vessel walls on the burning velocity.11

CFD-Simulation von Mehrkomponentenadsorption in einem Festbett

Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersIn dieser Arbeit wird die Implementierung von Mehrkomponenten-Adsorptionsmodellen in den Löser für numerische Strömungssimulation (Computational fluid dynamics CFD) adsorpFoam, entwickelt an der Technischen Universität Wien, beschrieben. Es werden Gleichgewichts- und Kinetik-Modelle präsentiert. Die zwei verwendeten Modelle für das Gleichgewicht von Mehrkomponenten-Adsorption sind einerseits das Extended Langmuir Model ELM, und andererseits die Ideal Adsorbed Solution Theory IAST. Diese beiden Modelle basieren auf Einzelkomponenten-Isothermen. Um gegenseitige Beeinflussung der Spezies bei der Adsorption zu berücksichtigen, wurde ein Kinetik-Modell entwickelt, welches auf Diffusion basiert. Die Ergebnisse eines null-dimensionalen Modells zeigen, dass die Abweichung zwischen Modellvorhersage und experimentellen Ergebnis der ermittelten Gleichgewichte von den beteiligten Molekülen abhängt. Die Simulationen wurden mit sechs Mehrkomponenten-Systemen verglichen. Die Daten zu den Experimenten wurden der Literatur entnommen. Wenn experimentelle Daten zur Verfügung stehen, kann das Extended Langmuir Model um sogenannte Interaktionskoeffizienten erweitert werden. Diese empirischen Parameter werden aus den Messergebnissen berechnet und berücksichtigen die gegenseitige Beeinflussung bei der Adsorption. Für diese Erweiterung benötigt man Daten aus Mehrkomponenten-Adsorptionsversuchen. Das verwendete Programm OpenFOAM ist eine frei verfügbare Sammlung von CFD- Lösern. Die freie Verfügbarkeit des Quelltexts und Erweiterbarkeit waren ausschlaggebend, dieses Programm zu verwenden. Die Implementierung in OpenFOAM umfasst u.a. die Anpassung der Erhaltungsgleichungen, Berechnungen von Gleichgewichtsbeladungen und Adsorptionraten. Zusätzlich erhöht die freigesetzte Adsorptionswärme die Temperaturverteilung der adsorbierenden Wände. Wenn die berechnete Adsorptionsrate zu physikalisch inkorreten Ergebnissen führen würde, müssen Limiter angewandt werden. Es wurde ein funktionierendes Modell für Mehrkomponenten-Adsorption in den Löser adsorpFoam implementiert. Es ist möglich, mehrere adsorbierende Oberflächen zu definieren, und die Parameter pro Komponente und Oberflächen zu wählen. Dies ist der erste Schritt hin zu einer allgemeinen Lösung für Stoffübergang in der CFD und die Implementierung dient als Basis, um weitere Modelle in der Zukunft hinzufügen zu können.The aim of this thesis is to implement multicomponent adsorption models in the custom OpenFOAM computational fluid dynamics solver adsorpFoam developed at Vienna University of Technology. This includes equilibrium and kinetics models. For this, two multicomponent equilibrium models, the Extended Langmuir Model ELM and the Ideal Adsorbed Solution Theory IAST, are used. They solely depend on single-component isotherm data. For interspecies-dependent kinetics, a diffusion-based approach is chosen. As the results of a zero-dimensional model show, the quality of prediction of equilibria is dependent on the chosen system of species. The model predictions are compared with experimental data of six multicomponent systems taken from literature. If experimental data are available, a simple extension to the ELM is possible. This is done by introducing empirical interaction coefficients to account for competitive adsorption, which improves the prediction of most systems. For this approach, data of multicomponent adsorption experiments have to be obtained. OpenFOAM, an open-source suite of CFD programs, is used in this thesis. The main reasons for this choice are its openness and extensibility. The implementation in OpenFOAM includes the adaptation of the governing equations, calculation of adsorption equilibrium loading and rate of adsorption. Additionally, the released heat of adsorption increases the temperature distribution of the adsorbing walls. If the calculated rate of adsorption leads to nonphysical results, e.g. more mass adsorbing in one cell than available, limiters are applied. At the end, a working multicomponent adsorption model was included in the solver adsorpFoam. It allows to define multiple adsorbing sites with different parameters per species and site. This implementation is a first step towards multicomponent mass transfer and serves as a basis for further work on the three-dimensional simulation of multicomponent adsorption.9

A New Method to Determine the Impact of Individual Field Quantities on Cycle-to-Cycle Variations in a Spark-Ignited Gas Engine

Cycle-to-cycle variations (CCV) in spark-ignited (SI) engines impose performance limitations and in the extreme limit can lead to very strong, potentially damaging cycles. Thus, CCV force sub-optimal engine operating conditions. A deeper understanding of CCV is key to enabling control strategies, improving engine design and reducing the negative impact of CCV on engine operation. This paper presents a new simulation strategy which allows investigation of the impact of individual physical quantities (e.g., flow field or turbulence quantities) on CCV separately. As a first step, multi-cycle unsteady Reynolds-averaged Navier–Stokes (uRANS) computational fluid dynamics (CFD) simulations of a spark-ignited natural gas engine are performed. For each cycle, simulation results just prior to each spark timing are taken. Next, simulation results from different cycles are combined: one quantity, e.g., the flow field, is extracted from a snapshot of one given cycle, and all other quantities are taken from a snapshot from a different cycle. Such a combination yields a new snapshot. With the combined snapshot, the simulation is continued until the end of combustion. The results obtained with combined snapshots show that the velocity field seems to have the highest impact on CCV. Turbulence intensity, quantified by the turbulent kinetic energy and turbulent kinetic energy dissipation rate, has a similar value for all snapshots. Thus, their impact on CCV is small compared to the flow field. This novel methodology is very flexible and allows investigation of the sources of CCV which have been difficult to investigate in the past