[논문 리뷰] A Numerical Study on Spray Characteristics at Start of Injection for Gasoline Direct Injection

Zongyu Yue, Michele Battistoni외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 08.

Fluid Dynamics and Heat Transfer참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 가솔린 직접 분사에서 주입 시기 초반의 스프레이 발달을 조사하기 위해 체적 요소 방법을 사용한 대규모 난류 시뮬레이션을 수행하며, 실제 분사기 기하구조의 고해상도 X선 단층촬영 데이터를 활용한다. 제조 허용오차로 인해 노말 기하구조 대비 Sauter 평균 직경(SMD)이 11% 감소하고, 반대편 브러시 영역 근처의 불안정한 표면 구조로 인해 분해가 급속히 진행됨을 발견하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 가솔린 직접 분사 시스템에서 주입 시기 초반의 일시적 스프레이 특성을 조사하기 위해.
• 표면 거칠기 및 기계 가공 오차와 같은 분사기 제조 세부 사항이 스프레이 발달에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 실제 고해상도 분사기 기하구조와 이상적인 노말 기하구조를 사용한 스프레이 예측을 비교하기 위해.
• 기하구조의 정밀도에 따른 물방울 크기, 표면적 및 분해 역학의 차이를 정량화하기 위해.
• 특히 반대편 브러시 근처의 내부 유동 구조가 조기에 분해를 유도하는 역할을 평가하기 위해.

제안 방법

• 스프레이 영역의 난류 다상유동을 모델링하기 위해 대규모 난류 시뮬레이션(Large Eddy Simulation, LES)을 사용한다.
• 액체-기체 계면을 추적하고 상 분리 현상을 포착하기 위해 체적 요소 방법(Volume of Fluid, VOF)을 사용한다.
• 주입 시기 초반의 동적 분사기 개방을 시뮬레이션하기 위해 이동하는 바늘 경계 조건을 적용한다.
• 고해상도 X선 단층촬영 영상은 애드밴스드 포톤 소스(Advanced Photon Source, APS)에서 확보하여 실제 기계 가공 오차와 표면 거칠기를 포함한 마이크론 수준의 분사기 기하구조 데이터를 제공한다.
• 두 종류의 분사기 기하구조를 사용한다: 결함이 있는 실제 측정 기하구조와 이상적인 노말 기하구조.
• CFD 결과의 후처리 과정에서 주요 스프레이 지표를 추출한다: Sauter 평균 직경(SMD), 물방울 부피 및 표면적.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분사기의 제조 결함과 표면 거칠기는 주입 시기 초반의 조기 스프레이 발달에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 고해상도 실제 분사기 기하구조를 사용할 경우와 노말 기하구조를 사용할 경우 예측된 Sauter 평균 직경(SMD)에 어떤 영향이 있는가?
• RQ3 기하구조의 비정상성 존재 시 분해 과정은 어디서 어떻게 시작되는가?
• RQ4 특히 반대편 브러시 근처의 내부 유동 구조는 액체 변형과 분무 시작에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이상적인 분사기 모델 대비 표면 결함이 분해 과정을 얼마나 가속화하는가?

주요 결과

• 고해상도 실제 분사기 기하구조를 사용할 경우, 노말 기하구조 대비 Sauter 평균 직경(SMD)이 약 11% 감소한다.
• 표면 거칠기 및 기계 가공 결함은 액체 제트를 따라 불안정한 구조를 생성하여 변형 및 분해 과정을 가속화한다.
• 기하구조의 비정상성으로 인해 반대편 브러시 영역 내부에서 분해가 더 이르고 강하게 발생한다.
• 실제 분사기 특성이 존재할 경우 더 빠르고 복잡한 유동 불안정성이 발생하여 조기 분무가 향상된다.
• 이 연구는 일반적으로 시뮬레이션에서 忽略되는 분사기 제조 세부 사항이 스프레이 특성에 상당한 측정 가능한 영향을 미친다는 것을 입증한다.
• 실제 기하구조를 사용한 LES-VOF 시뮬레이션은 특히 일시적인 주입 시기 초반 단계에서 더 이르고 정확한 스프레이 진화를 포착한다.