On the error analysis for geometrical volume of fluid methods

The Piecewise-Linear Interface Calculation (PLIC) algorithm is a well known technique for interface reconstruction, widely used in several Volume of Fluid (VOF) codes both commercial and open-source. In this work, an unstructured mesh implementation of these tools in OpenFOAM(R) is described and tested. The underlying numerical features of this new solver are described, showing how the programmed schemes accomplish local and global conservativeness. An extension of geometrical schemes to the momentum equation is also discussed, remarking the advantages of using the so called momentum-conserving scheme instead of a standard algebraic TVD advection method. Several benchmark problems are solved, comparing the results with the ones available in literature and analytical solutions. Different error norms are used to evaluate the solver accuracy in problems involving advection of discontinuous functions. Finally, a simple atomization problem is solved, comparing these results with solutions obtained using original OpenFOAM(R) VOF formulation.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 19Facultad 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

Direct numerical simulations of a single drop in bag mode break-up

Secondary break-up consist on the decomposition of droplets, ligaments and rims into smaller droplets forming a spray. This phenomenon is driven by interface deformation given by the growth of hy- drodynamic instabilities, depending on Reynolds andWeber numbers. Bag mode break-up takes place at moderate gas Weber numbers, at which the drops turns into a film and inflates. Film thickness decreases until a hole forms and expands, giving place to decomposition in smaller droplets. This mechanism is present in several break-up processes and is of great interest to understand the underlying physics of liquid atomization. In this work, we present the Direct Numerical Simulations (DNS) results of a single liquid droplet submerged in an air stream in bag mode regime. Navier-Stokes equations for the two-phase flow are solved using a Volume of Fluid with a Piecewise Linear Interface Capturing (PLIC) formulation and geometrical advection schemes on the volume fraction and momentum equations, programmed in the Basilisk suite. The deformation of the drop into a film and the posterior evolution of its thickness is studied until the formation of a hole and the results are compared with experimental data.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 19Facultad 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

Estabilidad de técnicas de acoplamiento tipo PISO a 1 y 2 fases por el método de Fourier

Existen una gran cantidad de técnicas para la determinación de los rangos de estabilidad y convergencia de métodos numéricos aplicados a las ecuaciones de Navier-Stokes. Muchos de ellos presentan la dificultad de ser problema-dependientes, es decir, dada las condiciones generales del problema (viscosidad, densidad, condiciones de borde e iniciales), se determina el radio espectral de la matriz del problema cuyo tamaño equivale a la cantidad de celdas en que fue discretizado. Esto da una predicción precisa de los rangos de estabilidad pero solo resulta útil al problema en cuestión. El método de von Neumann (o método de Fourier) permite, bajo ciertas condiciones (i.e. condiciones de borde cíclicas, geometrías sencillas y coeficientes constantes), determinar de manera sencilla rangos de estabilidad generales para el acoplamiento presión-velocidad (PISO, SIMPLE, etc) y velocidad entre fases (FIT, PEA, etc) haciendo uso de la descomposición en series de Fourier de cada una de las variables. De esta forma, el análisis puede parametrizarse en algunas pocas variables (número de Reynolds de malla, número de Courant, etc.) y se realiza sobre las matrices de amplificación del problema cuyo tamaño equivale a la cantidad de incógnitas del problema (e.g. presión, velocidad de la fase 1, velocidad de la fase 2). En este trabajo se estudia la metodología general y su aplicación a las ecuaciones de Navier-Stokes incompresible para 2 fases acopladas por drag.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 19Facultad 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

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