[論文レビュー] Modeling and Detailed Numerical Simulation of the Primary Breakup of a Gasoline Surrogate Jet under Non-Evaporative Operating Conditions

Bo Zhang, Stéphane Popinet+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2020

Fluid Dynamics and Heat Transfer参考文献 60被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、体積フラッド法を用いて非蒸発的Spray G条件下におけるガソリンサーミュレートジェットの一次破壊を高精度直接数値シミュレーション（DNS）で行った。主な貢献は、実験的ジェットの貫通長および偏向角と最も一致する非ゼロの注入角（η = 0.2）の特定であり、これにより非対称な破壊ダイナミクスが明らかになった。その結果、ドロップレットサイズおよび方位角分布が自己相似的であることが判明したが、ドロップレット数に強い方位角依存性が見られた。

ABSTRACT

In the present study, detailed numerical simulations are performed to investigate the primary breakup of a gasoline surrogate jet under non-evaporative "Spray G" operating conditions. The Spray G injector and operating conditions, developed by the Engine Combustion Network (ECN), represent the early phase of spray-guided gasoline injection. To focus the computational resources on resolving the primary breakup, simplifications have been made on the injector geometry. The effect of the internal flow on the primary breakup is modeled by specifying a nonzero injection angle at the inlet. The nonzero injection angle results in an increase of the jet penetration speed and also a deflection of the liquid jet. A parametric study on the injection angle is performed, and the numerical results are compared to the experimental data to identify the injection angle that best represents the Spray G conditions. The nonzero injection angle introduces an azimuthally non-uniform velocity in the liquid jet, which in turn influences the instability development on the jet surfaces and also the deformation and breakup of the jet head. The asymmetric primary breakup dynamics eventually lead to an azimuthal variation of droplet size distributions. The number of droplets varies significantly with the azimuthal angle, but interestingly, the probability density functions (PDF) of droplet size for different azimuthal angles collapse to a self-similar profile. Analysis has also been conducted to estimate the percentage and statistics of the tiny droplets that are under resolved in the present simulation. The PDF of the azimuthal angle is also presented, which is also shown to exhibit a self-similar form that varies little over time. Finally, a model is developed to predict the droplet number as a function of droplet diameter, azimuthal angle where a droplet is located, and time.

研究の動機と目的

• 非蒸発的Spray G条件下におけるガソリンサーミュレートジェットの一次破壊ダイナミクスを、高精度数値シミュレーションを用いて調査すること。
• 実験データとシミュレーション結果を比較することで、実験的ジェット貫通長および偏向角を最もよく再現する注入角を同定すること。
• 注入角によって誘発される方位非均一な流れが界面波発展、ジェットヘッド変形、非対称的破壊に与える影響を分析すること。
• ドロップレットサイズおよび方位角分布の自己相似性を定量的に評価し、解像度が不足する1μm未満のドロップレットの割合を推定すること。
• 自己相似的統計的プロファイルに基づき、ドロップレット直径、方位角、時間の関数としてドロップレット数を予測するモデルを構築すること。

提案手法

• 界面2相流を運動量保存型体積フラッド（VOF）法で解く高精度直接数値シミュレーション（DNS）を、Basiliskソルバを用いて実施した。
• ノズル幾何形状を簡略化し、内部流れ効果を非ゼロの注入角（α）を介して inlet でモデル化した。η = tan(α) を主要パラメータとした。
• 注入角（η）のパラメータスタディを実施し、シミュレーションで得られたジェット貫通長および偏向角を実験的Spray Gデータと比較することで、モデルをキャリブレーションした。
• 複数のメッシュ解像度（L11およびL12）を用いて数値収束性を評価し、最小解像度サイズ未満のドロップレットの割合を推定した。
• ドロップレット直径および方位角の確率密度関数（PDF）に、対数正規分布およびガンマ分布をフィットさせ、自己相似性を同定した。
• 観察された自己相似的PDFに基づき、ドロップレット直径、方位角、時間の関数としてドロップレット数を予測するモデルを提案した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非蒸発的Spray G条件下におけるガソリンサーミュレートジェットの一次破壊において、実験的ジェット貫通長および偏向角を最もよく再現する注入角（η）は何か？
• RQ2 非ゼロの注入角が、界面波発展、ジェットヘッド変形、ドロップレット形成における方位非対称性をどのように誘発するか？
• RQ3 ドロップレット直径および方位角の確率密度関数（PDF）は、時間経過とともに自己相似的挙動を示すか。その場合、どのような関数形がそれらを記述するか？
• RQ4 メッシュ解像度の限界により解像度が不足する1μm未満のドロップレットが、全ドロップレット質量のうちどの程度の割合を占めているか？
• RQ5 後期の時間におけるドロップレット直径および方位角の自己相似的PDFに基づき、ドロップレット数を予測するモデルを構築できるか？

主な発見

• 実験データとの一致が最も良いとされた注入角は、η = tan(α) = 0.2 であった。これは、ジェット貫通長および偏向角の両方において最良の一致を示した。
• 非ゼロの注入角により、方位非均一な流れが誘発され、上部ジェット表面では波長が短い界面波が発生し、上部ジェットヘッドの破壊がより早く、より激しく進行した。
• ドロップレット数に強い方位依存性が見られるにもかかわらず、ドロップレット直径のPDFは、すべての方位角で自己相似的プロファイルに収束しており、両方の分布（対数正規分布およびガンマ分布）に良好にフィットした。
• 方位角のPDFは双曲正接関数で良好に表現され、t ≳ 27 µs 以降は時間的変化が最小限に抑えられた。
• L12メッシュ解像度により、全ドロップレット質量のおよそ3.1%が、解像度が不足する1μm未満のドロップレットであったと推定された。
• ドロップレット直径、方位角、時間の関数としてのドロップレット数を予測するモデルは、シミュレーション結果と強い一致を示し、観察された自己相似的PDFを活用した。