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Massively parallel large-eddy simulation solver for internal combustion engines = Massiv-paralleler Grobstrukturlöser für Verbrennungskraftmaschinen
2021
Dissertation, RWTH Aachen University, 2021
Englische und deutsche Zusammenfassung
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-01-27
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biofuel (frei) ; Direct Injection (frei) ; LES (frei) ; Lagrange Particle (frei) ; Mixing (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Es besteht ein großes Interesse an Biotreibstoffen, die als direkter Ersatz für Benzin und Diesel verwendet werden können, da der Klimaeinfluss und der drohende Lagerstättenaufbrauch des Rohöls ein Umdenken erfordern. Diese Arbeit diskutiert Methoden, die zur Modellierung der Direktinjektion von Biokraftstoffen in Verbrennungskraftmaschinen verwendet werden können und präsentiert das Resultat mehrerer numerischer Studien, die den Einsatz von unterschiedlichen Biokraftstoffen vergleichen. Der gewählte Modellierungsansatz basiert auf einem Finite-Volumen-Verfahren, welches auf einem hierarchischen unstrukturierten kartesischen Gitter aufgebaut ist. Dieses wird benutzt, um die kompressiblen Navier-Stokes Gleichungen zu lösen. Hingegen wird eine Lagrange Partikelverfolgungsmethode verwendet, um die Flüssigphase des Treibstoffes abzubilden. Eine auf mehreren Levelsets basierende Methode wird zur Verfolgung der Bewegung des Motors angewendet, welche zusammen mit charakterischen Randbedingungen verwendet wird, um die Strömung im Zylinder zu modellieren. Lagrange Partikel basierte Modelle für die unterschiedlichen Injektortypen werden präsentiert, sowie Modelle für den Primär- und Sekundär-Zerfall, Kollision, Verdunstung und Wand Interaktion. Des Weiteren werden mehrere Wege beschrieben, mit denen die Partikelberechnung beschleunigt werden kann unter anderem durch die Ausnutzung deshierarchischen Gitteraufbaus. Eine Validierung wird dann durchgeführt, in dem die Grobstruktursimulationen mit experimentellen Ergebnissen verglichen werden. Dies geschieht sowohl für die Strömung im Zylinder, als auch für Versuche, in denen in eine Druckkammer injiziert wird. Im gesamten wird eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen erreicht. In einer ersten numerischen Studie wird das Mischungsverhalten von Ethanol und 2-Butanone verglichen, in welcher der große Einfluss der Injektionszeit herausgestellt wird. Dadurch erreicht Ethanol, im Vergleich zu dem schneller verdunstenen 2-Butanoneeine homogänere Mischung. In einer weiteren Untersuchung, die sich mit einem neuen hochkomprimierenden Motorenaufbau mit der Injektion von Ethanol, Methanol und Methyl Isopropyl Ketone befasst, sind die Simulationen noch nicht abgeschlossen.There is considerable interest in biofuel surrogates for gasoline and diesel due to climate impact and resource depletion of fossil-based fuels. This work discusses methods to model the direct injection of biofuels into an internal combustion engine and presents the results of numerical studies of multiple biofuels. The chosen modeling approach is based on a hierarchical unstructured Cartesian grid-based finite volume method used to solve the compressible Navier-Stokes equations coupled to a Lagrange particle tracking method used as the liquid fuel phase. A multiple levelset method-based approach is employed to track the engine’s movement, which is used in conjunction with characteristic boundary conditions to model thein-cylinder flow. Lagrange particle-based models are presented for the different injector types, break-up, secondary break-up, collision, evaporation, and wall interaction. Moreover, several ways are shown in which the solver’s hierarchical nature can be used to speed-up the computation of particle-based methods. Validation is then performed by comparing the large-eddy simulation results to experimental measurements for the in-cylinder flow and pressure chamber injections. Overall, good agreement with experimental results is reached. In a first numerical study, the mixing behavior of Ethanol and 2-Butanone is compared, showing the immense impact of injection timing on the mixing behavior resulting in better homogenization for Ethanol besides faster evaporation of 2-Butanone. In a further study, a new high compression engine setup is investigated with the injection of Ethanol, Methanol, and Methyl Isopropyl Ketone, with the simulations still ongoing.
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020880268
Interne Identnummern
RWTH-2021-02651
Datensatz-ID: 815501
Beteiligte Länder
Germany
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