[論文レビュー] Enhancing the predictive capabilities for high P/T fuel sprays; non-ideal thermodynamic modelling using PC-SAFT

Phoevos Koukouvinis, Alvaro Vidal-Roncero+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2020

Phase Equilibria and Thermodynamics参考文献 20被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、非理想熱力学にPC-SAFT状態方程式を適用することで、高圧・高温燃料噴射の予測モデルを向上させた。従来の立方体状態方程式に比べ、液体密度および音速の予測精度が顕著に向上した。ECN Spray-Aケースのシミュレーションでは、蒸気の浸透深さ、温度、質量分率分布について実験データと良好な一致を示し、断熱定圧混合曲線にほぼ一致しており、エネルギー保存的挙動が妥当であることが検証された。

ABSTRACT

The present work aims to investigate the complex phenomena occurring during high-pressure/high-temperature fuel injection of the Engine Combustion Network (ECN) Spray-A case. While commonly in the literature transcritical mixing cases are approached using traditional cubic equation-of-state models, such models can prove insufficient in the accurate prediction of liquid density and speed of sound. The purpose of the present investigation is to employ a general tabulated approach which can be applied to any type of thermodynamic closure. At the same time, a more advanced model based on the Perturbed-Chain Statistical Associating Fluid Theory (PC-SAFT) is employed to create the thermodynamic table, as it is proven superior to the traditional cubic models, while also having the capacity of predicting Vapor-Liquid-Equilibrium. The model has been used for a combination of dodecane and nitrogen mixing, corresponding to the well known Spray-A conditions. Vapor penetration and mixing both in terms of temperature and mass fraction are found in agreement to experiments, within the experimental errors. Also, the thermodynamic states correspond well with the adiabatic isobaric-mixing curve, demonstrating the energy-conservative nature of the approach.

研究の動機と目的

• 現代の内燃機関に特徴的な高圧・高温条件下での液体密度および音速の予測に、従来の立方体状態方程式に課題があることを解決すること。
• 理想化モデルが失敗する超臨界定域および臨界定域における燃料噴射の予測精度を向上させること。
• PC-SAFTを用いた一般化された表形式熱力学的手法を実装し、実験的キャリブレーションが最小限の炭化水素-窒素混合物の正確なモデル化を可能とすること。
• ECN Spray-Aベンチマークケースの実験データを用いてモデルを検証すること。特に、蒸気の浸透深さ、温度、質量分率分布に焦点を当てる。

提案手法

• 混合物に一様な速度、圧力、温度場を仮定し、機械的および熱的平衡を満たす拡散界面モデルが使用された。
• 支配方程式には混合物の質量保存則およびドデカンの種分化輸送方程式が含まれ、k-ε乱流モデルを用いた有限体積法CFDソルバで解かれた。
• PC-SAFTが混合物の物性を計算する熱力学的閉じ込めに用いられ、最小限の入力パラメータで蒸気-液体平衡を含む物性を算出可能であった。
• 広い圧力および温度範囲にわたる正確な物性予測を可能とするために、PC-SAFTを用いて熱力学テーブルが生成された。
• エネルギー保存的性質を検証するため、PC-SAFTを用いて断熱定圧混合曲線が計算された。
• 本モデルは、60 barおよび900 Kの条件下でドデカンを窒素に噴射するECN Spray-Aケースに適用され、実験データと比較された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PC-SAFTは、高P/T燃料噴射において、従来の立方体状態方程式に比べ、液体密度および音速の予測をより正確に可能にするか？
• RQ2 PC-SAFTに基づくモデルは、ECN Spray-Aケースにおいて、実験的蒸気の浸透深さ、温度、質量分率分布をどれほど正確に再現できるか？
• RQ3 シミュレートされた熱力学的状態は、どれほど断熱定圧混合曲線に従うか。これはエネルギー保存的挙動を示唆する。
• RQ4 モデルは、ノズル出口付近でのジュール＝トムソン冷却および粘性加熱の効果をどれほど的確に捉えられるか？
• RQ5 PC-SAFTモデルは、最小限の実験的キャリブレーションで、異なる炭化水素および燃料代替物質のパrametricスタディに効果的に応用可能か？

主な発見

• PC-SAFTモデルは、特に高圧条件下において、従来の立方体状態方程式に比べ、液体密度および音速の予測精度が顕著に向上した。
• シミュレートされた蒸気の浸透深さ、温度、質量分率分布は、実験データと良好な一致を示し、最大46 mmの測定点でさえも実験的不確実性内に収まった。
• CFDソルバの状態は、PC-SAFTを用いて計算された断熱定圧混合曲線にほぼ一致しており、シミュレーション手法のエネルギー保存的性質が確認された。
• ジュール＝トムソン冷却および粘性加熱に起因する温度変化が適切に捉えられ、最も低い温度（約318 K）はドデカン質量分率99％の地点で下流に発生した。
• 1ケースあたり10時間未満で標準ワークステーションで正確な結果が得られたため、異なる燃料および燃料代替物質のパrametricスタディに適している。