Simulation of flow and combustion in cylinder of an experimental single-cylinder Internal Combustion Engine

Abstract

In order to reduce the use of fossil fuels - and corresponding greenhouse gas (GHG) and other emissions - from the transport sector, there is continued need to improve and develop advanced Internal Combustion Engines (ICE) operating under constantly increasing system complexity, primarily due to hybridization. Spark ignited (SI) engines are expected to constitute a significant share of the hybrid engine vehicle fleet, which will play an important role in the next couple of decades, and which are faced with various challenges. In this respect, in addition to the need for fine tuning of control system parameters under various conditions to achieve post-2021 CO2 and other emission targets, it is important to develop, adapt, validate and use powerful, advanced software tools capable of accurately estimating performance, energy fluxes, consumption and emissions. The steep increase in computing power over the last decades has led to the transition from RANS combustion simulations to LES and DNS, increasing the predictability and fidelity of the numerical studies. Although serious progress has been made in approaching actual operating conditions and inclusion of more elaborate physical phenomena on real industrial devices, significant effort is still needed to accomplish simulations of real-world operating conditions. This gap is expected to be significantly reduced with the use of Exascale computing. European Union via the Center of Excellence in Combustion (CoEC) plans to the development of their Exascale infrastructure dedicated to the progress and support of the European activities in combustion science.This thesis attempts to investigate and improve the predictive capability of: a) performance and emissions of spark-ignited internal combustion engines with the combined use of computational and experimental techniques. Large Eddy Simulations of flow processes are performed in an optically accessible engine established and operating at the University of Western Macedonia, while advanced laser diagnostics-based experimental techniques were employed to perform measurements at the same laboratory engine for validation purposes. This work was a close collaboration with the University of Western Macedonia where the engine measurements were performed. b) soot distribution predicted from a sophisticated sectional soot model through the employment of an elaborate radiation model. For this reason, a co-flow laminar ethylene diffusion flame that provided the adequate validation results was simulated, using detailed chemistry and other models of secondary importance. The soot model was coupled as an external library with the commercial code STAR-CCM+, which according to the authors knowledge comprises the first effort to couple a more elaborate soot model with a commercial code. This work was in close collaboration with the group of Prof. Stelios Rigopoulos at Imperial College London. c) soot formation using high-fidelity high-order direct numerical simulations with the spectral element DNS code Nek5000. Accordingly, a soot-plugin interface was developed for the integration of the aforementioned discretized soot model, as well as a moment-based model into Nek5000. The accurate coupling was evaluated by simulating a planar laminar premixed ethylene flame. The generated environment will allow the performance of Exascale simulations of laboratory engines (both automotive and aircraft) under realistic engine conditions.

Για τον περιορισμό της χρήσης ορυκτών καυσίμων - και των εκλυόμενων από αυτά αερίων του θερμοκηπίου αλλά και των υπολοίπων ρύπων – από τον τομέα των μεταφορών, υπάρχει συνεχής ανάγκη βελτίωσης και ανάπτυξης εξελιγμένων Μηχανών Εσωτερικής Καύσης (ΜΕΚ) που θα λειτουργούν σε συστήματα όλο και μεγαλύτερης πολυπλοκότητας (π.χ. λόγω υβριδοποίησης). Οι μηχανές έναυσης με σπινθήρα εκτιμάται πως θα αποτελέσουν σημαντικό μερίδιο των υβριδικών οχημάτων, που θα έχουν σημαίνοντα ρόλο τις επόμενες δεκαετίες, και αντιμετωπίζουν διάφορες προκλήσεις. Για την επίτευξη λοιπόν των στόχων μείωσης του CO2, την μετά-2021 περίοδο, πέρα από την ανάγκη της σωστής βαθμονόμησης των παραμέτρων του συστήματος, απαιτείται η ανάπτυξη, η προσαρμογή, η επικύρωση και η χρήση ανεπτυγμένων λογισμικών κατάλληλων για την ακριβή εκτίμηση της απόδοσης, των ενεργειακών ροών, της κατανάλωσης και των εκπεμπόμενων ρύπων.Η ραγδαία αύξηση της υπολογιστικής ισχύος έχει οδηγήσει στην μετάβαση από RANS προσομοιώσεις καύσης στις LES και DNS, αυξάνοντας την προβλεπτικότητα και την ακρίβεια των αριθμητικών διερευνήσεων. Παρά την σημαντική προσπάθεια προσέγγισης των πραγματικών συνθηκών λειτουργίας, αλλά και ενσωμάτωσης πιο λεπτομερών φυσικών φαινομένων, επιπλέον προσπάθεια απαιτείται για την επίτευξη προσομοιώσεων αυτής της ακρίβειας. Η προσπάθεια αυτή αναμένεται τελικά να ευοδωθεί με την χρήση Exascale υπολογισμών. Η Ευρωπαϊκή Ένωση, μέσω του κέντρου Αριστείας στην Καύση (Center of Excellence in Combustion, CoEC), σκοπεύει στην ανάπτυξη της ευρωπαϊκής Exascale υποδομής, με σκοπό την εξέλιξη και υποστήριξη των Ευρωπαϊκών δραστηριοτήτων της επιστήμης της καύσης.Η παρούσα διδακτορική διατριβή σκοπεύει στην διερεύνηση και βελτιστοποίηση της προγνωστικής ικανότητας: α) της απόδοσης και των εκπομπών ΜΕΚ με τη συνδυασμένη χρήση υπολογιστικών και πειραματικών μεθόδων. Σκοπός της διερεύνησης είναι η πιστοποίηση των υπολογιστικών μεθόδων που χρησιμοποιούνται σήμερα για την προσομοίωση διεργασιών εντός κυλίνδρου ΜΕΚ, όπως και η διερεύνηση της δίνης ανατροπής που σχηματίζεται κατά την φάση πλήρωσης του κινητήρα. Για την υπολογιστική διερεύνηση της χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο της μεγάλης δίνης (LES, Large Eddy Simulations) εφαρμοσμένο εντός κυλίνδρου εργαστηριακού κινητήρα οπτικής πρόσβασης που είναι εγκατεστημένος και λειτουργεί στο Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας. β) της σωματιδιακής κατανομής της αιθάλης μέσω ενός καινοτόμου μοντέλου ταυτοχρόνως της χρήσης λεπτομερούς μοντέλου ακτινοβολίας. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν σε καυστήρα ομορροής αιθυλενίου, καθώς παρείχε την κατάλληλη βάση δεδομένων για την πιστοποίηση των αποτελεσμάτων και την εξαγωγή συμπερασμάτων με τη χρήση αναλυτικής χημείας και άλλων μοντέλων δευτερεύουσας σημασίας. Το μοντέλο παραγωγής αιθάλης μετατράπηκε σε εξωτερική βιβλιοθήκη και συζεύχθηκε αμφίδρομα με τον κώδικα υπολογιστικής ρευστομηχανικής STAR-CCM+. Η μελέτη αυτή υπήρξε το αποτέλεσμα στενής συνεργασίας με την ομάδα του Καθ. κ. Στέλιου Ρηγόπουλου στο Imperial College London. γ) της παραγωγής αιθάλης υπό το πρίσμα υψηλής πιστότητας και τάξης DNS με τη χρήση του φασματικού επιλυτή Nek5000. Ως εκ τούτου αναπτύχθηκε επέκταση του κώδικα Nek5000 ώστε να είναι δυνατή η προσομοίωση της δημιουργίας αιθάλης. Δύο μοντέλα να ενσωματώθηκαν στον κώδικα, ένα διακριτό και ένα βασισμένο στη μέθοδο των ροπών. Η ακρίβεια της σύζευξης πιστοποιήθηκε με την προσομοίωση της παραγωγής αιθάλης σε στρωτή φλόγα αιθυλενίου. Το παραχθέν περιβάλλον θα επιτρέψει την πραγματοποίηση των πρώτων Exascale προσομοιώσεων σε κινητήρες υπό πραγματικές συνθήκες λειτουργίας, στο πλαίσιο της συμμετοχής μας στο CoEC.