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Multiphase flow in internal combustion engines on high-performance computers = Mehrphasenströmung in Verbrennungskraftmaschinen auf Hochleistungsrechnern
2024 & 2025
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-12-06
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-00617
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1002672/files/1002672.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
direct injection (frei) ; high-performance computing (frei) ; internal combustion engine (frei) ; large eddy simulation (frei) ; multiphase flow (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Die Mehrphasenströmung in Verbrennungsmotoren ist eine der kompliziertesten technischen Anwendungen der numerischen Strömungsmechanik. Die Wechselwirkung der kompressiblen, instationären und turbulenten Strömung mit den zahlreichen Sprühtröpfchen erfordert komplexe physikalische Modelle einschließlich der Berücksichtigung von Phasenübergängen. In der Literatur sind skalenauflösende Simulationen der Direkteinspritzung aufgrund dieser komplexen Modelle und der hohen Rechenkosten selten. Diese Arbeit zielt darauf ab, diese Lücke zu schließen, indem numerische Methoden vorgestellt werden, die effiziente Einspritzssimulationen für die Anwendungen mit bewegten Geometrien ermöglichen. Es werden Simulationsergebnisse mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung vorgestellt. Zur effizienten Eulerische-Lagrangschen Phasenkopplung auf kartesischen Gittern wird durch ein nicht blockierendes verschachteltes Zeitschrittverfahren eingeführt. Eine feinkörnige Gebietszerlegung und eine Lastausgleichsstrategie mit dynamischer Abschätzung der Auslastung hat die beste parallele Auslastung gezeigt. Die numerischen Methoden wurden durch experimentelle Messungen validiert. Dies gilt sowohl für die Kaltströmung in einem angetriebenen Motor als auch für die Brennstoffeinspritzung in einer Kammer. Particle Image Velocimetry Messungen in der Tumble-Ebene eines optischen Testmotors zeigen eine gute Übereinstimmung des Geschwindigkeitsfeldes mit der numerischen Simulation während des gesamten Einlass- und Verdichtungshubes. Die Messungen der Eindringtiefen der Flüssigkeits- und Dampfphase stimmen mit den numerischen Vorhersagen für verschiedene Geometrien der Einspritzdüsen und Kraftstoffeigenschaften überein. Mit Hilfe der empirischen Modenzerlegung wird eine neuartige Vorgehensweise zur Skalentrennung von turbulenten Strömungen im Motor vorgestellt. Der Ansatz ermöglicht die Analyse der instantanen großskaligen kohärenten Strömungen in einzelnen Zyklen und die Abschätzung des Ensemble-Mittels anhand einer begrenzten Anzahl von Zyklen. Die Simulationen der Direkteinspritzung zeigen verschiedene Einflussparameter auf die die Kraftstoffdampfverteilung zum Zündzeitpunkt, z.B. den Beginn der Einspritzung, die Geometrie des Injektors und die Materialeigenschaften des Kraftstoffs. Die Analyse zeigt die Empfindlichkeit von zyklischen Schwankungen in der räumlichen Kraftstoffverteilung. Als erste Verbesserungsschritte werden ein optimaler Einspritzbeginn untersucht und eine modifizierte Injektorgeometrie eingeführt. Es wird der Zusammenhang zwischen einer erhaltener Taumelbewegung und einer verbesserten Kraftstoff-Luft-Mischung gegen Ende des Verdichtungshubs hergestellt. Die Kraftstoffverschleppung von der Hauptkammereinspritzung in die Vorkammer wird für stöchiometrische und magere Bedingungen untersucht. Die Simulationsergebnisse dienen als Referenz und Datensatz für weitere Analysen des turbulenten Mischprozesses von Kraftstoff und Luft.Multiphase flow in internal combustion engines is among the most challenging technical computational fluid dynamics application. The interaction of the compressible, unsteady and turbulent flow with numerous tiny spray droplets requires complex physical models including phase transition. Scale resolving direct injection simulations are rarely found in the literature due to these complex models and high computational costs. This work aims to close this gap by presenting numerical methods which enable efficient spray injection simulations for moving boundary applications. Simulation results with high spatial and temporal resolution are presented. A non-blocking interleaved time step procedure is introduced for an efficient Eulerian-Lagrangian phase coupling on Cartesian meshes. A fine-grained domain decompositioning approach and a load balancing strategy with dynamic workload estimators has shown to increase the parallel performance significantly. The numerical framework has been validated by experimental measurements both, for in-cylinder cold flow and spray chamber injection cases. Particle image velocimetry measurements in the tumble plane of an optical test engine show a good agreement with the simulated velocity field throughout the intake and compression stroke. Liquid and vapor penetration measurements in constant pressure chambers coincide with numerical predictions for different injector geometries and fuel properties. A novel scale separation of the turbulent in-cylinder flow by means of empirical mode decomposition is presented. The approach enables the analysis of the instantaneous large scale coherent motion of individual cycles and the estimation of the ensemble mean from a limited number of cycles. The direct injection simulations reveal different influencing parameters on the fuel vapor distribution at the ignition timing, e.g., the start of injection, the injector geometry and fuel properties. The analysis shows that the spatial fuel vapor distribution is prone to cycle-to-cycle variation. As initial improvements an optimal start of injection is investigated and a modified injector geometry is introduced. A correlation is found between a sustained tumble motion and improved fuel-air mixing towards the end of the compression stroke. The fuel entrainment of the main chamber injection into the pre-chamber is investigated for stoichiometric and a lean condition. The simulation results serve as benchmark and data set for further analysis of the turbulent fuel-air mixing process.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030934502
Interne Identnummern
RWTH-2025-00617
Datensatz-ID: 1002672
Beteiligte Länder
Germany
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