Development of Transient Flamelet Library Based Combustion Models

Abstract: Popular Abstract in Swedish Ämnet för föreliggande avhandling är utveckling av förbränningsmodell för modellering av turbulent icke förblandad förbränning i motorrelaterade tillämpningar. I cylindern i en dieselmotor sker förbränningen under påverkan av och i interaktion med det turbulenta flödesfältet. Det finns härvidlag ett flertal svårigheter för att uppnå acceptabel noggrannhet och acceptabla beräkningstider: modellering av turbulens, modellering av förbränning, modellering av värmeförluster, modellering av emissionsbildning, för att nämna några. Specifikt för modellering av förbrännings- och emissionsbildning ligger svårigheterna i storleken av reaktionsscheman för realistiska bränslen och hur man modellerar turbulensens påverkan på förbränningsprocessen. Reaktionsscheman kan bestå av hundratalet till tusentalet kemiska ämnen, och tusentals reaktioner. Det är med dagens datorer svårt att uppnå acceptabla beräkningstider om man samtidigt modellerar turbulenseffekter och andra lokala effekter. Utgångspunkten för behandligen av förbränningskemin i föreliggande avhandling är tagen från Amnéus et al. som undersökte hur antändningsprocessen kan parametriseras. De fann, att med kemisk entalpi som enda parameter kan hela antändningsprocessen parametriseras. Interaktionen mellan turbulens och kemi modelleras genom två närbesläktade modeller: a) flamelet-modellen, i vilken en turbulent flamma betraktas som en ensemble av flera laminära flammor; och b) “conditional moment closure” i vilken betingade medelvärden av de reaktiva skalärerna beräknas. Båda modellerna förlitar sig på att tillståndet i en cell (kontrollvolym i flödesfältet) kan beskrivas med hjälp av en fördelningsfunktion som antas ha en viss form, och som karakteriseras av den s.k. blandningsfraktionens (andel ursprunglig bränslemassa av total massa i kontrollvolymen) medel och varians. För att tabellera antändningsprocessen utvidgades tabelleringsmetoder som tidigare utvecklats i arbetsgruppen samt programvara för såväl tabellering av transienta flamelets som kopplingen mellan tabeller och flödesekvationslösare. Tre olika metoder baserade på flamelet-tabellering utvecklades inom ramen för arbetet: a) en transient-flamelet progressvariabelmetod; b) en metod som använder tabellerad kemi direkt under flameletlösaren; c) en metod för progressvariabelbaserad “conditional moment closure”. Den första och sista metoden tillåter att man betraktar lokala effekter. Den första metoden fungerade för att bestämma responsen av ändring av insprutningstryck och dysans diameter på “lift-off” (avståndet från dysan till flamman). Det var möjligt att använda metoden i flödesdynamiska simuleringar av kompressionsantänd förbränning. Den andra metoden användes för att undersöka huruvida det vore möjligt att tabellera antändningskemin under antagandet att antändningsprocessen fortskrider homogent utan turbulenspåverkan. Under arbetet drogs slutsatsen att ett sådant antagande leder till att tändfördröjningen inte kan predikteras korrekt. Den tredje metoden möjliggör “conditional moment closure” med samma volym-diskretisering för både flödesberäkning och förbränningsberäkning. Detta är en förbättring gentemot konventionella “conditional moment closure”-metoder i vilka olika diskretisering av förbränningsrummet används för att beräkna flödet och för att beräkna förbränningskemin. Den tredje metoden testades för beräkning av tändfördröjning och “lift-off” under ändrad syrehalt i en spraybomb, och modellen kunde uppvisa samma trender som experiment. Förbättringar i mjukvara och i kopplingen mellan flamelet-tabeller och flödeslösaren överfördes till den flameletbaserade sotmodellen. Avsevärda förbättringar för prediktion av sotbildning i en för personbilar avsedd dieselmotor kunde uppvisas.