[논문 리뷰] Enhancing the predictive capabilities for high P/T fuel sprays; non-ideal thermodynamic modelling using PC-SAFT

Phoevos Koukouvinis, Alvaro Vidal-Roncero외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 19.

Phase Equilibria and Thermodynamics참고 문헌 20인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 고압/고온 연료 분사의 예측 모델링을 향상시키기 위해 비이성질 열역학을 위한 PC-SAFT 상태 방정식을 적용하여 기존의 삼차 상수 상태 방정식에 비해 액체 밀도 및 음속 예측 정확도를 크게 향상시켰다. ECN Spray-A 사례의 시뮬레이션 결과는 증기 침투도, 온도 및 질량 분율 분포에서 실험 데이터와 강한 일치를 보였으며, 결과는 열역학적 등압 혼합 곡선을 잘 따르며 에너지 보존적 행동을 검증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 현대 내연기관에서 흔한 고압/고온 조건에서 기존 삼차 상태 방정식이 액체 밀도 및 음속을 예측하는 데 한계를 보이는 문제를 해결하기 위해.
• 이dealized 모델이 실패하는 초임계 및 초임계 영역에서 연료 분사의 예측 정확도를 향상시키기 위해.
• 최소한의 입력 파rameter로 혼합물 성질을 계산하기 위해 PC-SAFT를 사용하여 일반적인 표 형태 열역학 접근법을 구현함으로써 탄화수소-질소 혼합물의 정확하고 校정이 적은 모델링을 수행하기 위해.
• 엔진Combustion Network의 Spray-A 기준 사례에서 실험 데이터와의 비교를 통해 증기 침투도, 온도 및 질량 분율 분포에 중점을 두고 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• 혼합물에 대해 단일 속도, 압력 및 온도 장을 가정하는 확산 인터페이스 모델을 사용하며, 기계적 및 열적 평형을 가정한다.
• 기초 방정식으로는 혼합물 질량 보존 및 도데칸에 대한 성분 이송 방정식을 포함하며, k-ε 난류 모델을 사용하는 유한체적 CFD 해석기로 해결한다.
• 혼합물 성질(예: 기-액 평형 포함)을 계산하기 위해 열역학 폐쇄로 PC-SAFT를 사용하며, 최소한의 입력 파rameter로 구성된다.
• 넓은 압력 및 온도 범위에서 정확한 성질 예측을 가능하게 하기 위해 PC-SAFT를 사용하여 열역학 표를 생성한다.
• 에너지 보존적 성격을 검증하기 위해 PC-SAFT를 사용하여 등압 등온 혼합 곡선을 계산한다.
• 모델은 도데칸을 60 bar 및 900 K의 질소에 분사하는 ECN Spray-A 사례에 적용되었으며, 실험 데이터와의 비교를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PC-SAFT는 고압/고온 연료 분사에서 기존의 삼차 상태 방정식에 비해 액체 밀도 및 음속 예측 정확도를 더 높일 수 있는가?
• RQ2 PC-SAFT 기반 모델은 ECN Spray-A 사례에서 실험적 증기 침투도, 온도 및 질량 분율 분포를 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ3 모의된 열역학 상태는 어느 정도 등압 등온 혼합 곡선을 따르며, 이는 에너지 보존적 행동을 나타내는가?
• RQ4 모델은 분사 노즐 근처에서 조르울-톰슨 냉각 및 점성 난류 가열 효과를 얼마나 잘 포착하는가?
• RQ5 PC-SAFT 모델은 최소한의 실험적 校정으로 다양한 탄화수소 및 연료 시뮬레이션제에 대해 효율적으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• PC-SAFT 모델은 고압 조건에서 특히 기존의 삼차 상태 방정식에 비해 액체 밀도 및 음속 예측 정확도에서 뚜렷한 우수성을 보였다.
• 시뮬레이션된 증기 침투도, 온도 및 질량 분율 분포는 실험 데이터와 양호한 일치를 보였으며, 실험적 불확도 내에서 가장 먼 측정 지점인 46 mm에서도 잘 일치하였다.
• CFD 해석기 상태는 PC-SAFT로 계산된 등압 등온 혼합 곡선을 잘 따르며, 이는 시뮬레이션 접근법의 에너지 보존적 성격을 확인한다.
• 조르울-톰슨 냉각 및 점성 난류 가열에 의한 온도 변화는 잘 포착되었으며, 가장 낮은 온도(~318 K)는 도데칸 질량 분율 99%에서 유하된 후류에서 관찰되었다.
• 모델은 표준 워크스테이션에서 한 케이스당 10시간 이내에 정확한 결과를 도출하여 다양한 연료 및 연료 시뮬레이션제에 대한 파arametric 연구에 적합하다.