[論文レビュー] Modeling and Simulation of Diesel Injection at Transcritical Conditions

Peter Ma, Matthias Ihme+1 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2017

Combustion and flame dynamics参考文献 19被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ペンロビン状態方程式とエントロピー安定な有限体積スキームを用いて、圧縮性実体流体ソルバーと拡散界面法を組み合わせ、臨界状態を超える条件下でのディーゼル燃料噴射をシミュレートする。蒸発貫通長および混合度統計に関して、実験データと優れた一致を示し、大規模な密度勾配や不適切な圧力振動の影響にもかかわらず、乱流混合の予測が安定であることを示している。

ABSTRACT

The need for improved engine efficiencies has motivated the development of high-pressure combustion systems, in which operating conditions achieve and exceed critical conditions. Associated with these conditions are large thermodynamic gradients and strong variations in transport properties as the fluid undergoes mixing and phase transition. Accurately simulating these real-fluid environments remains a main challenge. Different modeling approaches have been employed, which can be categorized as diffused and sharp interface methods. The objective of this study is to examine the diffused interface method for simulating diesel-fuel injection at conditions related to the supercritical regime. To this end, a recently developed compressible real-fluid solver for transcritical conditions is employed. Simulations of an ECN-relevant diesel-fuel injector are performed and predictions for instantaneous and statistical flow-field results are compared against available measurements. It is expected that results from this analysis will be useful in identifying limitations of current modeling techniques and in improving physical and numerical models for high-pressure injection systems.

研究の動機と目的

• 臨界状態を超える条件下でのディーゼル燃料噴射をシミュレートする際の拡散界面法の性能を調査すること。
• 臨界状態を超える流れのモデル化における課題、ならびに大規模な熱力学的勾配、強い物性変化、不適切な圧力振動に対処すること。
• ECNスプレーAベンチマークケースの実験測定値と数値モデルを検証すること。
• 異なるしきい値基準に応じた液体貫通長予測の正確さを評価すること。
• ノズル下流における乱流混合および混合度統計を捉えるモデルの能力を評価すること。

提案手法

• 質量、運動量、エネルギー、および種分率輸送の支配方程式を解くために、圧縮性、多成分、保存則を満たす有限体積法ソルバーを用いる。
• ペンロビン状態方程式を用いて、超臨界および臨界状態を超える領域における実体流体の挙動をモデル化する。
• 状態方程式の非線形性に起因する不適切な圧力振動を抑制するために、二重フラックスモデルを備えたエントロピー安定スキームを採用する。
• 大渦シミュレーション（LES）を実施し、大規模な乱流構造を解像しつつ、小スケール応力はモデル化する。
• 明示的な界面追跡を避けるため、臨界状態を超える条件下で液体・気体境界が明確でない流れに適している。
• 特にノズル近傍における大規模な密度勾配領域の安定化のため、局所的に数値的拡散を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 拡散界面法は、臨界状態を超える条件下でのディーゼル燃料噴射における流れ構造および混合挙動をどの程度正確に予測できるか？
• RQ2 燃料質量分率のしきい値の選択が液体貫通長予測に与える感度はいかほどか？
• RQ3 数値モデルは、乱流混合領域における実験的混合度統計をどの程度再現できるか？
• RQ4 不適切な圧力振動はシミュレーションの安定性にどの程度影響を及ぼし、どのように緩和されるか？
• RQ5 現在のモデルは、実験的観察と比較して、ノズル近傍の流れ動態をどの程度正しく捉えることができるか？

主な発見

• 蒸発貫通長に関して、実験データと優れた一致を示し、予測値は実験の不確実性範囲内に収束している。
• 中心線に沿った混合度の平均値およびルート・ミーン・スクエア（rms）値が、レイリー散乱測定値とよく一致しており、乱流混合の正確な予測を示している。
• ノズル近傍では、実験画像と比較して、シミュレーションでジェットの広がり角がやや狭く予測されていることから、ノズル近傍の流れ動態に差異が生じている可能性がある。
• 液体貫通長は、燃料質量分率のしきい値に強く依存しており、0.95から0.4の範囲で、5 mmから15 mmの範囲で変動する。
• 二重フラックスモデルとエントロピー安定スキームの併用により、不適切な圧力振動が効果的に抑制され、強い非線形性下でも安定なシミュレーションが可能になった。
• 結果から、濃密な液体ジェットが完全に破壊された後の混合および拡散のモデリング能力が、ノズル近傍の解像度の課題にもかかわらず、本モデルフレームワークの有効性が確認された。