Computational study and optimization of flow and combustion processes in marine engines operating with heavy fuel oil

Abstract

Heavy Fuel Oil (HFO) is the predominant marine fuel. Its future use will be affected by the global 0.50% sulfur cap entering into force in 2020. It is widely accepted nowadays that Computational Fluid Dynamics (CFD) studies can substantially contribute to understanding and optimizing engine aerothermochemistry, provided that the key in-cylinder processes, namely, spray break-up, evaporation, fuel-air mixing, ignition and combustion, are properly accounted for in the frame of CFD modeling. The present thesis constitutes an extensive computational CFD study of non-reactive and reactive HFO spray physics in the context of marine engines, including applications of optimizing HFO injection in large two-stroke marine engines. The study is supported by experiments. In this frame, a new integrated model for calculating the thermophysical properties of marine HFO has been developed in the present work. The model considers HFO as an equivalent one-component heavy petroleum fraction with undefined composition, and requires as input four values of fuel bulk properties, commonly measured at fuel bunkering. Thus, the model accounts for any HFO quality stored onboard a vessel. The model predicts a large set of fuel properties relevant for engine CFD studies, including temperature dependence. Further, model validation is performed by means of measurements of a number of properties of different HFO qualities. Next, the new model is applied to calculate the thermophysical properties of seven widely used marine heavy fuel grades as prescribed by ISO 8217:2010. Also, the model is tested with CFD simulations of non-reactive HFO spray flow in a large constant volume chamber, and the results are compared against recent experiments. Here, spray modeling is based on a proper adaptation of the cascade atomization and drop break-up (CAB) model. All computational results are in very good agreement with experiments. Moreover, the new detailed model of HFO thermophysical properties is utilized for extensive CFD studies of HFO ignition and combustion in a large spray combustion chamber (SCC) and in a large marine engine; results are compared against existing and recent experiments, for two HFO qualities. A new kinetic model accounting for HFO aromaticity is developed and used for ignition modeling. Computational results are reported for reactive spray flow in the SCC, and are in good agreement with experimental data. The effects of HFO preheating on spray development are demonstrated. Finally, simulation results in a large marine engine are in good agreement with experiments in terms of pressure, heat release rate and pollutant emissions. Overall, the present modeling is shown to be appropriate for detailed CFD studies of HFO spray flow and combustion in marine engines.In a final step, multi-objective optimization is deployed to investigate the effects of a three-pulse HFO injection strategy (pilot-, main- and post-injection) on Specific Fuel Oil Consumption (SFOC) and the final concentration of nitric oxides (NOX) and soot of a large two-stroke marine engine. An optimization procedure including unconstrained and constrained problems is formulated, by coupling the present modified KIVA-3 based CFD code with an optimization tool based on Evolutionary Algorithms (EAs). For both problems, significant reductions in pollutant emissions are attained, in comparison to a reference case characterized by HFO continuous injection; for the constrained problem, the reductions reach 15% and 11% for NOX and soot, respectively.

Το βαρύ ναυτιλιακό καύσιμο (Heavy Fuel Oil - HFO) είναι το κυρίαρχο ναυτιλιακό καύσιμο. Η μελλοντική χρήση του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου θα επηρεαστεί σημαντικά από τον κανονισμό που αφορά στη μέγιστη επιτρεπόμενη επί τοις εκατό κατά βάρος περιεκτικότητατου θείου στο καύσιμο. Αναφορικά με την ωκεανοπορεία, το ισχύον όριο είναι 3.5%, ενώ απότην 1/1/2020 έχει προγραμματιστεί από τον Διεθνή Ναυτιλιακό Οργανισμό (InternationalMaritime Organization - IMO) αυτό να μειωθεί στο 0.5%. Σήμερα, η υπολογιστική μελέτη φαινομένων ροής και καύσης σε ναυτικούς κινητήρες Diesel μπορεί να υποστηριχθεί από τη χρήση εργαλείων Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (Computational Fluid Dynamics - CFD). Η Υπολογιστική Ρευστοδυναμική συμβάλλει σημαντικά στην κατανόηση και βελτιστοποίηση των θερμορευστομηχανικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στον κύλινδρο των ναυτικών μηχανών. Επίσης, η αξιόπιστη αποτύπωση της θερμορευστομηχανικής σε εφαρμογές ναυτικών κινητήρων είναι στόχος υψηλού ενδιαφέροντος αλλά και υψηλής δυσκολίας, καθώς απαιτεί την ανάπτυξη φυσικών μοντέλων για την περιγραφή: (α) της τύρβης στην αέρια φάση, (β) της διφασικής ροής του spray καυσίμου (πρωτογενής και δευτερογενής διάσπαση, εξάτμιση), (γ) της έναυσης, και (δ) της καύσης. Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί μια εκτενή μελέτη Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής που αφορά στη μη-αντιδρώσα (non-reactive) και στην αντιδρώσα (reactive) ροή του spray του βαρέος καυσίμου σε εφαρμογές ναυτικών κινητήρων. Επίσης, περιλαμβάνει μελέτες βελτιστοποίησης του προφίλ έγχυσης του βαρέος καυσίμου μεγάλων δίχρονων ναυτικών κινητήρων Diesel. Η αξιολόγηση των αριθμητικών αποτελεσμάτων της παρούσας εργασίας βασίζεται στη σύγκριση αυτών με πειραματικά δεδομένα. Σε αυτό το πλαίσιο, στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκε ένα νέο ολοκληρωμένο μοντέλο για τον υπολογισμό των θερμοφυσικών ιδιοτήτων βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Το μοντέλο κάνει χρήση της παραδοχής μονοσυστατικού υγρού με μη προσδιορισμένη σύνθεση, απαιτεί δε ως είσοδο τέσσερις τιμές θερμοφυσικών ιδιοτήτων οι οποίες είναι διαθέσιμες από την ανάλυση λαμβανόμενου κατά την πετρέλευση δείγματος. Με βάση τα συγκεκριμένα δεδομένα εισόδου, το αναπτυχθέν μοντέλο είναι ικανό να αναπαράγει τις θερμοφυσικές ιδιότητες οποιασδήποτε ποιότητας βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Το μοντέλο υπολογίζει τις τιμές ενός ευρέος φάσματος θερμοφυσικών ιδιοτήτων,συμπεριλαμβανόμενης της θερμοκρασιακής εξάρτησης αυτών. Περαιτέρω, για την πιστοποίηση του μοντέλου πραγματοποιήθηκαν εργαστηριακές μετρήσεις διαφορετικών ποιοτήτων βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Εν συνεχεία, το νέο μοντέλο εφαρμόστηκε για τον υπολογισμό των θερμοφυσικών ιδιοτήτων επτά διαφορετικών, ευρέως χρησιμοποιούμενων, ποιοτήτων βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου, όπως αυτές προδιαγράφονται από το διεθνές πρότυπο ISO 8217:2010. Επίσης, η ακρίβεια του μοντέλου ελέγχθηκε με υπολογισμούς της μη αντιδρώσας και της αντιδρώσας ροής spray βαρέος καυσίμου σε μεγάλο θάλαμο καύσης σταθερού όγκου, με σύγκριση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων με αντίστοιχα πειραματικά. Στην παρούσα διατριβή, το μοντέλο spray που χρησιμοποιήθηκε στις προσομοιώσεις βασίζεται σε κατάλληλη προσαρμογή του μοντέλου CAB. Η σύγκριση των αριθμητικών αποτελέσματων που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις της μη-αντιδρώσας και της αντιδρώσας ροής σε μεγάλο θάλαμο καύσης σε σχέση με τα πειραματικά δεδομένα ήταν πολύ καλή. Επιπροσθέτως, το νέο μοντέλο θερμοφυσικών ιδιοτήτων χρησιμοποιήθηκε για ενδελεχείς μελέτες Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής που αφορούν στην έναυση και καύση του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου σε μεγάλο θάλαμο καύσης σταθερού όγκου και σε μεγάλο δίχρονο ναυτικό κινητήρα. Τα αριθμητικά αποτελέσματα που προέκυψαν συγκρίθηκαν με προϋπάρχοντα και νέα πειραματικά δεδομένα δύο διαφορετικών ποιοτήτων βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Στη διατριβή αναπτύχθηκε ένα νέο μοντέλο χημικής κινητικής για τη μοντελοποίηση της έναυσης του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου, το οποίο λαμβάνει υπόψη την αρωματικότητα του καυσίμου. Τα αριθμητικά αποτελέσματα που αφορούν στην καθυστέρηση έναυσης του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου σε μεγάλο θάλαμο καύσης είναι σε πολύ καλή συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα. Ακολούθως, καταδεικνύονται οι επιδράσεις της προθέρμανσης του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου στην εξέλιξη της ροής του spray. Τα αριθμητικά αποτελέσματα που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις σε μεγάλο δίχρονο ναυτικό κινητήρα είναι σε πολύ καλή συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα αναφορικά με: (α) την πίεση, (β) τη θερμοκρασία, (γ) τον ρυθμό έκλυσης θερμότητας, και (δ) τις εκπομπές των ρύπων. Το σύνολο των αριθμητικών αποτελεσμάτων όσον αφορά στη μοντελοποίησητων θερμοφυσικών ιδιοτήτων του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου αλλά και στις εκτενείς μελέτες Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής κατέδειξαν ότι η παρούσα προσέγγιση είναι κατάλληλη για προσομοιώσεις ροής και καύσης του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου σε ναυτικούς κινητήρες. Τέλος, πραγματοποιήθηκε πολυκριτηριακή βελτιστοποίηση για τη διερεύνηση της επίδρασης της στρατηγικής έγχυσης με χρήση τριπλού παλμού του βαρέος καυσίμου (προέγχυση, κύρια έγχυση, μετέγχυση) στην ειδική κατανάλωση του καυσίμου (Specific FuelOil Consumption-SFOC), στα τελικά επίπεδα συγκέντρωσης των οξειδίων του αζώτου (NOx) και στις εκπομπές των σωματιδίων αιθάλης (soot) σε έναν μεγάλο δίχρονο ναυτικό κινητήρα. Η διαδικασία βελτιστοποίησης πραγματοποιήθηκε με σύζευξη ενός κατάλληλα διαμορφωμένου κώδικα Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής, με βάση τον κώδικα KIVA-3, με έναν κώδικα βελτιστοποίησης βασισμένο σε Εξελικτικούς Αλγορίθμους (Evolutionary Algorithms - EAs). Η βελτιστοποίηση περιέλαβε βελτιστοποίηση χωρίς περιορισμούς και βελτιστοποίηση με περιορισμούς. Τα αποτελέσματα που παρήχθησαν και από τα δύο προβλήματα της βελτιστοποίησης (πρόβλημα με περιορισμούς, πρόβλημα χωρίς περιορισμούς) κατέδειξαν σημαντική ταυτόχρονη μείωση των εκπομπών των οξειδίων του αζώτου και των σωματιδίων αιθάλης σε σχέση με μια περίπτωση αναφοράς, χαρακτηριζόμενη από συνεχές προφίλ έγχυσης βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Συγκεκριμένα,για την περίπτωση της βελτιστοποίησης με περιορισμούς η ταυτόχρονη μείωση των οξειδίων του αζώτου και των σωματιδίων της αιθάλης ήταν 15% και 11%, αντίστοιχα.