[논문 리뷰] Modeling and Simulation of Diesel Injection at Transcritical Conditions

Peter Ma, Matthias Ihme외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 20.

Combustion and flame dynamics참고 문헌 19인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 펑-로빈슨 상태방정식과 엔트로피 안정적인 유한체적 스킴을 사용하여 초임계 조건에서 디젤 연소를 모의하기 위해 압축성 실체유체 해소기와 확산된 인터페이스 방법을 적용한다. 증기 침투 길이와 혼합도 통계에 대해 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, 큰 밀도 기울기와 비현실적인 압력 진동과 같은 도전 과제에도 불구하고 난류 혼합을 견고하게 예측함을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초임계 조건에서 디젤 연료 분사를 모의하는 데 있어 확산된 인터페이스 방법의 성능을 조사하는 것.
• 큰 열역학 기울기, 강한 물성 변화, 비현실적인 압력 진동과 같은 초임계 유동 모의의 과제를 해결하는 것.
• ECN 스프레이 A 기준 사례의 실험 측정치와 수치 모델을 검증하는 것.
• 다양한 임계 기준에 따라 액체 침투 길이 예측의 정확도를 평가하는 것.
• 분사기 후행부에서 난류 혼합과 혼합도 통계를 포착하는 데 모델의 능력을 평가하는 것.

제안 방법

• 질량, 운동량, 에너지, 성분 이동을 위한 지배 방정식을 해결하기 위해 압축성, 다성분, 보존형 유한체적 해소기를 사용한다.
• 초임계 및 초임계 영역에서 실체유체 거동을 모델링하기 위해 펑-로빈슨 상태방정식을 적용한다.
• 비선형 상태방정식에서 기인하는 비현실적인 압력 진동을 억제하기 위해 이중 유량 모델을 갖춘 엔트로피 안정적인 수치 스킴을 사용한다.
• 대규모 난류 시뮬레이션(Large-eddy simulation, LES)을 수행하여 대규모 난류 구조를 해석하고, 미세스케일 응력은 모델링한다.
• 확산된 인터페이스 방법은 명시적 인터페이스 추적을 피하므로, 초임계 조건에서 명확한 액체-기체 경계가 없는 유동에 적합하다.
• 특히 분사기 노즐 부근에서 큰 밀도 기울기가 발생하는 영역을 안정화하기 위해 국소적으로 수치적 난류를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확산된 인터페이스 방법은 초임계 조건에서 디젤 분사의 유동 구조와 혼합 거동을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 연료 질량 분율 임계 기준의 선택이 액체 침투 길이 예측에 어떤 민감도를 보이는가?
• RQ3 수치 모델은 난류 혼합 영역에서 실험적 혼합도 통계를 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ4 비현실적인 압력 진동은 시뮬레이션 안정성에 어떤 영향을 미치며, 어떻게 완화되는가?
• RQ5 현재 모델은 실험 관측치와 비교해 볼 때 노즐 근처 유동 역학을 포착하는 데 어떤 한계를 지니는가?

주요 결과

• 증기 침투 길이에 대해 시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, 실험 불확도 범위 내에 포함된다.
• 중심선을 따라 혼합도의 평균값과 제곱근 평균 제곱(RMS) 값이 레일리 산란 측정치와 잘 일치하여 난류 혼합의 정확한 예측을 나타낸다.
• 시뮬레이션은 실험 이미지보다 노즐 부근에서 더 좁은 제트 확산 각도를 예측하여, 노즐 근처 유동 역학에 잠재적인 불일치를 시사한다.
• 액체 침투 길이는 연료 질량 분율에 대한 선택된 임계 기준에 매우 민감하며, 0.95에서 0.4 사이의 임계 기준에서 5 mm에서 15 mm로 변동한다.
• 이중 유량 모델과 엔트로피 안정 스킴을 통해 비현실적인 압력 진동을 성공적으로 억제하여, 강한 비선형성 조건에서도 안정적인 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 결과는 현재 수치 프레임워크가 농축된 액체 제트가 완전히 분해된 후 혼합 및 확산을 정확하게 모델링할 수 있음을 확인하며, 노즐 근처 해상도의 과제에도 불구하고 이를 인정한다.