CFD modeling of combustion and soot production in Diesel sprays

Abstract

[ES] En los últimos años, las emisiones de hollín provenientes de los motores de combustión interna han recibido más atención debido al impacto negativo que éstas tienen no solo en el ambiente, sino también en la salud del ser humano. Como respuesta, leyes cada vez más estrictas han sido aplicadas impulsando así a la comunidad científica al desarrollo de motores más eficientes en el uso del combustible y por supuesto más limpios en términos de emisiones contaminantes. En este contexto, el modelado computacional ha sido la herramienta utilizada en numerosos esfuerzos que buscan contribuir a mejorar el entendimiento que se tiene sobre los altamente complejos fenómenos que componen el proceso de producción de hollín. El principal objetivo de esta tesis es simular la producción de hollín en chorros Diesel en condiciones de operación típicas de un motor de combustión interna utilizando CFD.

La consecución del objetivo de la tesis comprende una evaluación preliminar de la configuración de los distintos modelos para el caso de chorros inertes. En segundo lugar, el estudio detallado de la hipótesis utilizada para caracterizar la estructura de la llama a nivel sub-grid (tomando como base los conceptos well-mixed o flamelet) y del enfoque para tener en cuenta la interacción entre turbulencia y química. Por último, se presentan resultados del modelado de la combustión y producción de hollín para diferentes condiciones de contorno de reactividad y mezcla del chorro utilizando un modelo de hollín de dos ecuaciones.

En resumen, el lector encontrará a lo largo de este documento un estudio exhaustivo sobre la combustión y producción de hollín en chorros inyectados con toberas mono-orificio en ambientes quiescentes. De este tipo de chorros, el Spray A y Spray D de la Engine Combustion Network son utilizados como casos de referencia.

[CA] En els últims anys, les emissions de sutge provinents dels motors de combustió interna han rebut més atenció a causa de l'impacte negatiu que aquestes tenen no sols en l'ambient, sinó també en la salut de l'ésser humà. Com a resposta, lleis cada vegada més estrictes han sigut aplicades impulsant així a la comunitat científica al desenvolupament de motors més eficients en l'ús del combustible i per descomptat més nets en termes d'emissions contaminants. En aquest context, el modelatge computacional ha sigut l'eina utilitzada en nombrosos esforços que busquen contribuir a millorar l'enteniment que es té sobre els altament complexos fenòmens que componen el procés de producció de sutge. El principal objectiu d'aquesta tesi és simular la producció de sutge en rolls dièsel en condicions d'operació típiques d'un motor de combustió interna utilitzant CFD.

La consecució de l'objectiu de la tesi comprèn una avaluació preliminar de la configuració dels diferents models per al cas de rolls inerts. En segon lloc, l'estudi detallat de la hipòtesi utilitzada per a caracteritzar l'estructura de la flama a nivell sub-grid (prenent com a base els conceptes well-mixed o flamelet) i de l'enfocament per a tindre en compte la interacció entre turbulència i química. Finalment, es presenten resultats del modelatge de la combustió i producció de sutge per a diferents condicions de contorn de reactivitat i mescla del doll utilitzant un model de sutge de dues equacions.

En resum, el lector trobarà al llarg d'aquest document un estudi exhaustiu sobre la combustió i producció de sutge en dolls injectats amb toveres mono-orifici en ambients immòbils. D'aquesta mena de dolls, l'Spray A i Spray D de la Engine Combustion Network són utilitzats com a casos de referència.

[EN] Over the past few years, soot emissions from internal combustion engines have gained attention due to its impact on the environment and human health. In response, ever-stricter legislation has been enforced driving the research community toward more fuel-efficient and cleaner engines. Within this context, soot modeling has been the subject of many efforts seeking to contribute to the understanding of the highly complex phenomena that composes the soot production process. This thesis main objective aims at simulating soot production in Diesel sprays under engine-like conditions using computational fluid dynamics (CFD).

The fulfillment of the thesis main objective entails a preliminary assessment of the inert spray computational setup for validation purposes. Then, a detailed study on the sub-grid flame structure and handling of turbulence-chemistry interaction is reported focusing on well-mixed and flamelet assumptions. Lastly, the study of reactivity and mixing boundary condition variations on combustion and soot production are assessed with a two-equation soot model.

In summary, throughout this document the reader will find a comprehensive study of combustion and soot modeling in single-hole nozzle sprays in quiescent environments from which the Spray A and Spray D target conditions from the Engine Combustion Network are the main reference cases.