[論文レビュー] A Numerical Study on Spray Characteristics at Start of Injection for Gasoline Direct Injection

Zongyu Yue, Michele Battistoni+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2018

Fluid Dynamics and Heat Transfer参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ガソリン直接噴射における噴射開始期のスプレー発達を調査するために、体積フラッド法を用いた大渦シミュレーションが用いられ、実際のノズル幾何形状の高分解能X線断層撮影データが活用された。製造上の欠陥により、名目幾何形状と比較してSauter平均径（SMD）が11%低下し、カウンターボア付近の不安定な表面構造が原因で、破壊が著しく加速されることが明らかになった。

ABSTRACT

This paper presents a CFD study of Engine Combustion Network (ECN) Spray G, focusing on the transient characteristics of spray at start of injection. The Large Eddy Simulation (LES) coupled with Volume of Fluid (VOF) method is used to model the turbulent two-phase flow. A moving needle boundary condition is applied to capture the internal flow condition accurately. The injector geometry was measured with micron-level resolution using full spectrum x-ray tomographic imaging at Advanced Photon Source (APS) at Argonne National Labora-tory, providing detailed machining error from manufacturer and realistic rough surface. For comparison, a nominal geometry is also used for the simulation. Spray characteristics such as Sauter Mean Diameter (SMD), droplet volume and surface area are extracted by post-processing the CFD outputs. It is seen that compared to the nominal geometry, the use of the high resolution real geometry predicts about 11% lower SMD. The rough surface along with manufacturing defects generate more unstable structures along the jet surface and accelerates the liquid de-formation and breakup processes, starting inside of the counter-bore. This result shows that the machining details of injector, which is usually ignored in the two-phase flow simulations, has considerable impact on the spray development process.

研究の動機と目的

• ガソリン直接噴射システムにおける噴射開始期の過渡的スプレー特性を調査すること。
• 表面粗さや機械加工誤差を含むノズルの製造詳細がスプレー発達に与える影響を評価すること。
• 高分解能の実際のノズル幾何形状と理想化された名目幾何形状を用いたスプレー予測を比較すること。
• 幾何的忠実度に起因する液滴サイズ、表面積、破壊ダイナミクスの差を定量化すること。
• 特にカウンターボア付近の内部流れの構造が、早期の破壊を引き起こす役割を評価すること。

提案手法

• 乱流2相流をスプレー領域でモデル化するために大渦シミュレーション（LES）が用いられた。
• 液体-気体界面を追跡し、相分離を捉えるために体積フラッド（VOF）法が用いられた。
• 噴射開始期におけるノズルの動的開閉を再現するために、移動するノズル境界条件が採用された。
• アドバンスドフォトンソース（APS）における高分解能X線断層撮影画像により、マイクロメートルレベルのノズル幾何形状データが得られ、実際の加工誤差と表面粗さが再現された。
• 2種類のノズル幾何形状が使用された：欠陥を含む実際の測定済み形状と、理想化された名目形状。
• CFDシミュレーション結果の後処理により、Sauter平均径（SMD）、液滴体積、表面積といった主要なスプレー指標が抽出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ノズルの製造欠陥および表面粗さは、噴射開始期の初期スプレー発達にどのように影響を与えるか？
• RQ2 高分解能の実際のノズル幾何形状を用いる場合と名目幾何形状を用いる場合とで、予測されるSauter平均径（SMD）にどのような差が生じるか？
• RQ3 幾何的不規則性が存在する場合、破壊プロセスはどこで、どのように開始されるか？
• RQ4 特にカウンターボア付近の内部流れの構造は、液体の変形および原子化開始にどのように影響を与えるか？
• RQ5 理想化されたノズルモデルと比較して、表面欠陥は破壊プロセスをどの程度加速させるか？

主な発見

• 高分解能の実際のノズル幾何形状を用いることで、名目幾何形状と比較してSauter平均径（SMD）が約11%低減した。
• 表面粗さおよび加工欠陥により、液体ジェットに不安定な構造が生成され、変形および破壊プロセスが加速された。
• 幾何的不規則性の影響により、カウンターボア領域内で破壊が早期かつ強力に開始された。
• 現実的なノズル特徴が存在することで、より迅速かつ複雑な流れ不安定性が生じ、早期の原子化が促進された。
• 本研究では、シミュレーションでしばしば無視されがちなノズルの製造詳細が、スプレー特性に顕著かつ測定可能な影響を与えることが示された。
• 実際の幾何形状を用いたLES-VOFシミュレーションは、特に過渡的な噴射開始期において、より早期かつ正確なスプレー発達を捉えることができた。