[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究采用可压缩真实流体求解器与扩散界面方法，模拟超临界条件下的柴油喷射，使用Peng-Robinson状态方程和熵稳定有限体积格式。模拟结果在蒸气穿透长度和混合分数统计方面与实验数据高度吻合，表明即使在大密度梯度和虚假压力振荡的挑战下，仍能稳健预测湍流混合。

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.

研究动机与目标

• 研究扩散界面方法在模拟超临界条件下柴油燃料喷射性能的表现。
• 解决建模超临界流时的挑战，包括大热力学梯度、强物性变化以及虚假压力振荡。
• 基于ECN Spray A基准案例的实验测量结果验证数值模型。
• 评估不同阈值准则下液相穿透长度预测的准确性。
• 评估模型捕捉喷油器下游湍流混合与混合分数统计的能力。

提出的方法

• 采用可压缩、多组分、守恒的有限体积求解器，求解质量、动量、能量和组分输运的控制方程。
• 应用Peng-Robinson状态方程，以在超临界与超临界区域之间准确建模真实流体行为。
• 采用熵稳定数值格式与双通量模型，以抑制状态方程非线性引起的虚假压力振荡。
• 采用大涡模拟（LES）以解析大尺度湍流结构，同时对亚格子尺度应力进行建模。
• 扩散界面方法避免显式界面追踪，适用于超临界条件下无明显液-气边界流动。
• 在密度梯度较大的区域（特别是喷油器喷嘴附近）局部应用数值耗散，以增强稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 扩散界面方法在预测超临界条件下柴油喷射的流场结构与混合行为方面有多准确？
• RQ2 燃料质量分数阈值的选择对液相穿透长度预测的敏感性如何？
• RQ3 数值模型在湍流混合区域对实验测得的混合分数统计再现能力如何？
• RQ4 虚假压力振荡在多大程度上影响模拟稳定性，又是如何被抑制的？
• RQ5 当前模型在捕捉喷嘴附近流场动力学方面存在哪些局限性，与实验观测相比？

主要发现

• 模拟结果在蒸气穿透长度方面与实验数据高度一致，预测值落在实验不确定度范围内。
• 中心线上混合分数的平均值与均方根（rms）值与瑞利散射测量结果吻合良好，表明湍流混合预测准确。
• 模拟预测的喷嘴附近喷射流束扩散角比实验图像更窄，提示喷嘴附近流场动力学可能存在差异。
• 液相穿透长度对燃料质量分数阈值的选择高度敏感，阈值从0.95到0.4变化时，穿透长度在5 mm至15 mm之间变化。
• 通过采用双通量模型与熵稳定格式，模型成功抑制了虚假压力振荡，实现了在强非线性条件下的稳定模拟。
• 结果证实，尽管在喷嘴附近分辨率存在挑战，当前数值框架仍能准确模拟密集液相射流完全破碎后的混合与扩散过程。