Estudio CFD del proceso de inyección diésel combinando el flujo en el interior de las toberas en condiciones de cavitación con el chorro en el interior de la cámara de combustión

Abstract

[EN] Car’s gases emissions count every day with greater number of restrictions due to the contribution of NOx to climate change. That is why engines need to be more and more efficient. In order to get cars to expel less gases, combustion must be complete. The role of the injection process is very important for an efficient combustion. This fact, together with the economic cost of the injection experiments, have caused that the current trend is oriented to simulate the injection processes using computational fluid dinamics (CFD) tools. Taking it into consideration, this work is based on the simulation of the injection nozzle flow, using the OpenFOAM software. Two injection nozzles of the Engine Network Combustion (ECN) group, called Spray C and Spray D, are going to be simulated, where the first nozzle is cavitating. Simulations are going to be performed with two different solvers: the first is an OpenFOAM application called cavitatingFoam, which uses an homogeneous equilibrium model (HEM) for cavitation whereas the second one called cavSigmaY, is a new solver which uses an homogeneous relaxation model (HRM) for cavitation. However, before thoroughly analyzing the two injection nozzles, the new solver has been tuned up and validated with experimental results in a calibrated orifice, similar to a Venturi tube. The calibrated orifice meshes were made with MATLAB R with two different conduits, one called throttle J with uniform section and another called throttle U with converging section. The results obtained by the new solver are similar to those obtained by cavitatingFoam and accurately predict the mass flow, the effective velocity and the cavitation appeareance. In addition, the validation of the code has served to observe other phenomena such as the stagnation of mass flow. After validating the code, the solver cavSigmaY has been used for the study of Spray C and Spray D nozzles under different injection pressure and discharge pressure conditions. The results of the discharge, surface and velocity coefficients show a substantial improvement of the predictions regarding to cavitatingFoam, due, in part, to the fact that it is an HRM model instead of HEM, such as cavitatingFoam. Moreover, mass flow and momentum predictions, faced with a velocity ramp input, are also better in the case of cavSigmaY, reducing the error with the experimental data from 12 % to 2 %. On the other hand, the cavitation phenomenon has also been observed in the Spray C, which significantly decreases the discharge coefficient in relation to the non-cavitating nozzle Spray D. It is observed that for the cavitating nozzle, the phenomenon of cavitation appears independently of the injection conditions, which means that it is influenced by the geometry. Both nozzles should produce the same mass flow and momentum, theoretically, but a poor design of the sprays has become evident, since these parameters are different.

[ES] Las emisiones de gases de los coches cuentan cada día con mayor número de restricciones debido a la contribución del NOx al cambio climático. Es por ello que los motores deben ser cada vez más eficientes. Para conseguir que los coches expulsen menos gases al exterior, la combustión debe ser completa. Para una combustión eficiente es muy importante el papel del proceso de inyección. Este hecho, junto al coste económico que suponen los experimentos de inyección, han provocado que la tendencia actual esté orientada hacia simular los procesos de inyección mediante herramientas CFD. Teniendo en cuenta lo anterior, este trabajo está basado en la simulación del flujo en toberas de inyección, haciendo uso del software OpenFOAM. Se van a simular dos toberas de inyección del grupo Engine Combustion Network (ECN) denominadas Spray C y Spray D, siendo la primera cavitante. Las simulaciones se van a realizar con dos solvers diferentes: el primero es una aplicación de OpenFOAM llamada cavitatingFoam que utiliza un modelo de equilibrio homogéneo (HEM) para la cavitación y el segundo es un solver nuevo denominado cavSigmaY, con un modelo de relajación homogéneo (HRM) para la cavitación. Sin embargo, antes de analizar en profundidad las dos toberas de inyección, el nuevo solver se ha puesto a punto y validado con resultados experimentales en un orificio calibrado, similar a un tubo de Venturi. Las mallas del orificio calibrado se han realizado con MATLAB R con dos conductos diferentes, uno denominado throttle J con sección uniforme y otro denominado throttle U con sección convergente. Los resultados obtenidos para el nuevo solver son similares a los obtenidos por cavitatingFoam y predicen con bastante exactitud el gasto másico, la velocidad efectiva y la apariencia de la cavitación. Además, la validación del código ha servido para observar otros fenómenos como el estancamiento del gasto másico. Tras la validación del código, se ha usado el solver cavSigmaY para el estudio de las toberas Spray C y Spray D bajo diferentes condiciones de presión de inyección y presión de descarga. Los resultados de los coeficientes de descarga, área y velocidad muestran una mejora sustancial de las predicciones respecto de cavitatingFoam, debido, en parte, a que se trata de un modelo HRM en lugar de HEM como lo es cavitatingFoam. Además, las predicciones del gasto másico y el flujo de cantidad de movimiento, ante una entrada del tipo rampa de la velocidad, también son mejores en el caso del nuevo solver, reduciendo el error con los datos experimentales de un 12 % a un 2 %. Por otro lado también se ha observado el fenómeno de cavitación en la tobera Spray C, que disminuye significativamente el coeficiente de descarga respecto a la tobera Spray D, no cavitante. Se observa que para la tobera cavitante, el fenómeno de la cavitación aparece independientemente de las condiciones de inyección, lo que quiere decir que está influenciada por la geometría. Ambas toberas deben proporcionar el mismo gasto másico y flujo de cantidad de movimiento, teóricamente, pero se ha hecho evidente un mal diseño de ellas, ya que estos parámetros son diferentes.

[CAT/VA] Les emissions de gassos dels cotxes compten cada dia amb un major nombre de restriccions degut a la contribució del NOx al canvi climàtic. És per això que els motors han de ser cada vegada més eficients. Per a aconseguir que els cotxes expulsen menys gassos a l’exterior, la combustió ha de ser completa. Per a una combustió eficient és molt important el paper del procés d’injecció. Aquest fet, junt al cost econòmic que suposen els experiments d’injecció, han provocat que la tendència actual estiga orientada cap a simular els processos d’injecció mitjançant ferramentes de mecànica de fluids computacional (CFD). Tenint en compte l’anterior, aquest treball està basat en la simulació del flux en toveres d’injecció, fent ús del software OpenFOAM. Es van a simular dues toveres d’injecció del grup Engine Combustion Network (ECN) denominades Spray C y Spray D, sent la primera cavitant. Les simulacions es van a realitzar amb dos solvers diferents: el primer és una aplicació d’OpenFOAM denominada cavitatingFoam la qual utilitza un model d’equilibri homogeni (HEM) per a la cavitació i el segon es un solver nou denominat cavSigmaY, amb un model de relaxació homogeni (HRM) per a la cavitació. No obstant, abans d’analitzar en profunditat les dues toveres, el nou solver s’ha posat a punt i validat amb resultats experimentals en un orifici calibrat, similar a un tub de Venturi. Les malles de l’orifici calibrat s’han realitzat amb MATLAB R amb dos conductes diferents, el primer denominat throttle J amb una secció uniforme i el segon denominat throttle U amb una secció convergent. Els resultats obtinguts per al nou solver són similars als obtinguts per cavitatingFoam i prediuen amb prou exactitut el flux màssic, la velocitat efectiva i l’apariència de la cavitació. A més, la validació del codi ha servit per a observar altres fenòmens com l’estancament del flux màssic. Després de la validació del codi, s’ha emprat el solver cavSigmaY per a l’estudi de les toveres Spray C i Spray D sota diferents condicions de pressió d’injecció i pressió de descàrrega. Els resultats dels coeficients de descàrrega, àrea i velocitat mostren una millora substancial de les prediccions respecte de cavitatingFoam, degut, en part, a que es tracta d’un model HRM en compte d’un model HEM, com és cavitatingFoam. A més, les prediccions del flux màssic i el flux de quantitat de moviment, davant d’una entrada del tipus rampa de velocitat, també són millors en el cas del nou solver, reduint l’errada amb dades experimentals d’un 12 % fins a un 2 %. D’altra banda també s’ha observat el fenomen de la cavitació en la tovera Spray C, on disminuix significativament el coeficient de descàrrega respecte a la tovera Spray D, no cavitant. Es veu que per a la tovera cavitant, el fenomen de la cavitació apareix independentment de les condicions d’injecció, fer que vol dir que està influenciada per la geometria. Ambdues toveres deuen proporcionar el mateix flux màssic i flux de quantitat de moviment, teòricamente, però s’ha fet evident un mal disseny d’aquestes, degut a que aquest paràmetres són diferents.