Implementation of a combustion model based on the flamelet concept and its application to turbulent reactive sprays

Abstract

El modelado CFD se ha convertido en una herramienta aceptada y ampliamente utilizada en el ámbito del diseño de motores de combustión interna alternativos. Los modelos de combustión avanzados ayudan a comprender los fenómenos complejos químicos y físicos del proceso de combustión y aportan información detallada que no se puede obtener con experimentos. Indudablemente, el modelado del proceso de combustión turbulenta parcialmente premezclada característico de los chorros Diesel es particularmente difícil y por lo tanto es un tema de gran interés para la comunidad científica. Los retos más importantes del modelado de este tipo de llamas son la predicción del proceso del auto-encendido, caracterizado por el tiempo de retraso, y la estructura de la llama cuasi-estacionaria con su característica longitud de lift-off. Estos dos parámetros globales de los chorros Diesel son importantes por varios aspectos. Primero, es relativamente sencillo medir estos dos parámetros y por lo tanto utilizarlos para la validación de modelos y segundo, son factores determinantes en el proceso de la combustión en un motor. El auto-encendido marca el inicio de la tasa de liberación de calor y la longitud de lift-off desempeña un papel fundamental en la formación de hollín. El mecanismo de estabilización de la llama en la zona del lift-off todavía no es bien conocido aunque existen diferentes teorías en la literatura, por lo que su modelado es en la actualidad un reto no resuelto. De acuerdo con el contexto descrito previamente, en este trabajo se pretende implementar un modelo de combustión integrado en un solver RANS utilizando la plataforma CFD OpenFOAM de código abierto. El modelo propuesto está basado en el concepto de flamelets usando una química detallada combinado con funciones de probabilidad determinadas a priori (presumed-PDF) para considerar el efecto de interacción entre la química y las características del flujo turbulento, que implica hipótesis importantes. En primer lugar, con el concepto flamelet se asume que una llama Diesel turbulenta quema localmente como un conjunto de llamas laminares de difusión de flujos opuestos. En segundo lugar se asume que las fluctuaciones de las propiedades introducidas por el flujo turbulento, que son las responsables de los fenómenos de interacción entre la química y la turbulencia durante la combustión, siguen un comportamiento estadístico en el tiempo de acuerdo a una distribución de probabilidad conocida a priori. Los fenómenos complejos del auto-encendido de hidrocarburos exigen el uso de mecanismo químicos detallados para recuperar satisfactoriamente los tiempos de retraso del auto-encendido en un rango amplio de condiciones termoquímicas. Una estrategia de interés para mantener los costes computacionales dentro de límites aceptables consiste en pre-tabular los resultados del cálculo de la química en tablas. Los parámetros independientes de estas tablas son la fracción de mezcla, la variable de progreso y la tasa de disipación escalar. Además, la hipótesis de que la distribuciones de probabilidad de las fluctuaciones generadas por la turbulencia sobre las propiedades del flujo son conocidas permite generar una tabla con la información química del problema apta para su aplicación en cálculo CFD en un entorno RANS. Esta aproximación basada en la pre-tabulación de los resultados químicos presenta dos ventajas fundamentales, siendo la primera de ellas la posibilidad de considerar modelos avanzados de interacción química-turbulencia y la segunda el relevante ahorro de tiempo de cálculo. Sin embargo, estas tablas representan un gran espacio de datos cuya gestión eficiente no es trivial. El desarrollo de un almacenamiento adecuado para un acceso de datos rápido y directo así como un esquema de interpolación multidimensional también forma parte del presente trabajo.