Acoplamiento de las características del flujo interno turbulento de una tobera a cálculos de la atomización primaria en chorro diesel mediante DNS

Abstract

The understanding of the combustion process in energy generation, both for stationary purpose or for propulsion, is becoming more and more demanding as the technology progress toward a cleaner combustion able to reduce the environmental impact. For this reason, an accurate prediction of the spray formation is mandatory in order to study the combustion from a numerical and experimental standpoint. As already proved in previous works [1], the boundary inlet conditions for the spray are of fundamental relevance in order to accurately model the atomization regime and therefore the droplet formation. In fact, it has been proved [2] that the atomization process is a result of surface instabilities, that may develop due to liquid core velocity variation. This goal can be reached throughout the analysis of the internal flow in the nozzle, by means of spectral and statistical analysis of the flow. For this reason, the present work aim to study the behavior of internal flow and effectively relate it to external flow. For the internal flow simulation, a Large Eddy Simulation (LES) approach has been used to model the turbulence structures inside a turbulent pipe (Re=5050). It has allowed saving computational resources, maintaining a high level of details in the study of turbulent flows. The opensource code OpenFOAM has been chosen as a simulation environment, while an incompressible Wall Adaptive Local Eddy viscosity model has been selected to model the subgrid turbulence behavior. The simulation domain consists of a cylindrical pipe of L/D= 8, with a diameter of 90μm. For the external flow modelling, Direct Numerical Simulation (DNS) has been used due to its capability of providing a high amount of data on both space and time, while modelling all scales of motion in the flow. In this work the one-fluid method described in [3] and implemented in the PARIS-Simulator is used. The main aim of this work is to effectively and accurately correlate the turbulence properties extracted from the analysis of the internal flow to the spray simulation though an algorithm for boundary condition generation. The algorithm used in this work is a Digital Filter Based Method from [4], which allows to control the size of the turbulent structures, their location and their temporal distribution, while maintaining the random behavior typical of the turbulent flows. The velocity profiles, as well as the turbulence distribution and maximum intensity can be obtained from the statistical analysis of the internal flow and validated against experimental results [5] and DNS results [6].

REFERENCES: [1] F. J. Salvador, J.-V. Romero, M.-D. Roselló, and D. Jaramillo, ¿Numerical simulation of primary atomization in diesel spray at low injection pressure,¿ J. Comput. Appl. Math., vol. 291, pp. 94¿102, 2015. [2] L. Rayleigh, ¿On The Instability Of Jets,¿ Proc. London Math. Soc., vol. s1-10, no. 1, pp. 4¿13, Nov. 1878. [3] Y. Ling, S. Zaleski, and R. Scardovelli, ¿Multiscale simulation of atomization with small droplets represented by a Lagrangian point-particle model,¿ Int. J. Multiph. Flow, vol. 76, pp. 122¿143, 2015. [4] M. Klein, A. Sadiki, and J. Janicka, ¿A digital filter based generation of inflow data for spatially developing direct numerical or large eddy simulations,¿ J. Comput. Phys., vol. 186, no. 2, pp. 652¿665, 2003. [5] J. G. M. Eggels et al., ¿Fully developed turbulent pipe flow: a comparison between direct numerical simulation and experiment,¿ J. Fluid Mech., vol. 268, no. 1, p. 175, 2006. [6] G. K. El Khoury, P. Schlatter, A. Noorani, P. F. Fischer, G. Brethouwer, and A. V. Johansson, ¿Direct numerical simulation of turbulent pipe flow at moderately high reynolds numbers,¿ Flow, Turbul. Combust., vol. 91, no. 3, pp. 475¿495, 2013.

La comprensión del proceso de combustión en la generación de energía, tanto para los propósitos estacionarios como para propulsión, está siendo cada vez más demandada a medida que la tecnología evoluciona hacia combustiones más limpias que permitan reducir su impacto medioambiental. Por esta razón, y con el objetivo del estudio de la combustión desde el punto de vista numérico y experimental, se requiere de una predicción minuciosa de la formación del chorro diesel. Tal y como se ha demostrado en trabajos previos [1], las condiciones de contorno a la entrada del chorro son de fundamental relevancia para modelizar de forma precisa el régimen de atomización y, con ello, la formación de gotas. De hecho, se ha demostrado [2] que el proceso de atomización es el resultado de las inestabilidades superficiales que pueden desarrollarse a partir de variaciones en la velocidad del núcleo líquido. Este objetivo puede alcanzarse mediante el análisis del flujo interno dentro de la tobera haciendo uso de un análisis tanto espectral como estadístico del flujo. Por esta razón, el presente trabajo pretende estudiar el comportamiento del flujo interno y relacionarlo con el flujo externo eficazmente. Para la simulación del flujo interno se ha hecho uso de una aproximación mediante Large Eddy Simulation (LES). Con ella se han modelado las estructuras turbulentas dentro de la ¿tubería turbulenta¿ (Re=5050). Esto ha permitido ahorrar recursos computacionales manteniendo un alto nivel de detalle en el estudio del flujo turbulento. Se ha elegido como ambiente de simulación el código abierto OpenFOAM, aplicando el modelo de viscosidad incompresible Wall Adaptive Local Eddy para modelar el comportamiento de la turbulencia en la escala de la submalla (subgrid). El dominio de la simulación consiste en una tubería cilíndrica con L/D=8 y diámetro de 90μm. Para el modelado del flujo externo se ha utilizado Direct Numerical Simulation (DNS). Este proporciona una gran cantidad de información tanto espacial como temporal mientras modela todas las escalas de movimiento del flujo. En este trabajo se ha utilizado el método one-fluid descrito en [3] e implementado en el PARIS-Simulator. La principal finalidad de este trabajo es correlacionar de manera eficaz y precisa las propiedades de la turbulencia, extraídas del análisis del flujo interno, con la simulación del chorro a partir de un algoritmo de generación de condición de contorno. El algoritmo utilizado en este estudio es el Digital Filter Based Method de [4], el cual permite controlar el tamaño de las estructuras, su localización y su distribución temporal manteniendo siempre el comportamiento aleatorio de los flujos turbulentos. Los resultados obtenidos de la simulación del flujo interno, tales como los perfiles de velocidad así como la distribución de la turbulencia y su máxima intensidad, se validarán con los resultados experimentales [5] y resultados DNS [6].

REFERENCIAS: [1] F. J. Salvador, J.-V. Romero, M.-D. Roselló, and D. Jaramillo, ¿Numerical simulation of primary atomization in diesel spray at low injection pressure,¿ J. Comput. Appl. Math., vol. 291, pp. 94¿102, 2015. [2] L. Rayleigh, ¿On The Instability Of Jets,¿ Proc. London Math. Soc., vol. s1-10, no. 1, pp. 4¿13, Nov. 1878. [3] Y. Ling, S. Zaleski, and R. Scardovelli, ¿Multiscale simulation of atomization with small droplets represented by a Lagrangian point-particle model,¿ Int. J. Multiph. Flow, vol. 76, pp. 122¿143, 2015. [4] M. Klein, A. Sadiki, and J. Janicka, ¿A digital filter based generation of inflow data for spatially developing direct numerical or large eddy simulations,¿ J. Comput. Phys., vol. 186, no. 2, pp. 652¿665, 2003. [5] J. G. M. Eggels et al., ¿Fully developed turbulent pipe flow: a comparison between direct numerical simulation and experiment,¿ J. Fluid Mech., vol. 268, no. 1, p. 175, 2006. [6] G. K. El Khoury, P. Schlatter, A. Noorani, P.