Physics-based reduced-order modeling of flash-boiling injection processes in internal combustion engines

Saha, Avijit; Kronenburg, Andreas; Pitsch, Heinz

doi:10.18154/RWTH-2023-09767

Physics-based reduced-order modeling of flash-boiling injection processes in internal combustion engines = Simulation von Einspritzvorgängen mit Flash-Sieden in Verbrennungsmotoren mittels physik-basierter Modelle niedriger Ordnung

Saha, Avijit^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Avijit Saha

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Pitsch, Heinz (Thesis advisor)^RWTH* ; Kronenburg, Andreas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-09-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-09767
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/971677/files/971677.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Technische Verbrennung (411410)

Projekte

DFG project 390919832 - EXC 2186: Das Fuel Science Center – Adaptive Umwandlungssysteme für erneuerbare Energie- und Kohlenstoffquellen (390919832) (390919832)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
E-fuels (frei) ; Lagrangian particle tracking (frei) ; bubble dynamics (frei) ; bubble growth (frei) ; bubble–bubble interactions (frei) ; flash boiling (frei) ; reduced-order model (frei) ; single droplet (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Zur genauen Quantifizierung von Flashboiling-Einspritzvorgängen in Motoren mit Direkteinspritzung und Fremdzündung (DISI) ist es unerlässlich, ein grundlegendes Verständnis der diesem komplexen Einspritzphänomen zugrunde liegenden physikalischen Zusammenhänge auf mikroskopischer Ebene zu entwickeln. In dieser Dissertation wird zunächst das Flashboiling von Einzeltropfen mithilfe eines Lagrangeschen Partikelverfolgungsansatzes (LPT) untersucht, der sowohl interne als auch externe Verdampfungsprozesse berücksichtigt. Anschließend wird ein neuartiges Lagrangesches Modell reduzierter Ordnung vorgestellt, um das Dampfblasenwachstum in überhitzten Mikrotropfen unter Berücksichtigung von Blasen-Blasen-Wechselwirkungen und der endlichen Tropfengröße genau zu erfassen. Es wird festgestellt, dass Blasen-Blasen-Wechselwirkungen einen erheblichen Einfluss auf die Dynamik des Blasenwachstums haben und zu einer langsameren Ausdehnung der Dampfblase im späteren Stadium des Wachstums führen. Anschließend wird eine vereinfachte nichtdimensionale halbanalytische Lösung für das Blasenwachstum abgeleitet, die auch die Blasenwechselwirkungen einbezieht und auf der Dimensionsanalyse der neu abgeleiteten Rayleigh-Plesset-Gleichung (RPE) basiert. Damit kann das Blasenwachstumsverhalten mit angemessener Genauigkeit unter Verwendung größerer Zeitschrittgrößen für einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen berechnet werden, wodurch die Verwendung des Modells für Simulationen überhitzter Sprays mit einer großen Anzahl von Tropfen ermöglicht wird. Anschließend wird eine Large-Eddy-Simulation (LES) eines flash-boiling Sprays mit Lagrangescher Partikelverfolgung mit dem neu abgeleiteten Modell für das Blasenwachstum in einer Multiblasenumgebung durchgeführt. Die Simulationsergebnisse werden mit experimentellen Messungen in Bezug auf die flüssige Eindringtiefe und den mittleren Sauter-Durchmesser im stationären Zustand verglichen. In dieser Dissertation wird auch ein eindimensionales (1D) querschnittsgemitteltes Spraymodell (CAS) entwickelt, das für schnellere Simulationen von flash-boiling Sprays verwendet werden kann. Es zeigt sich, dass das neu entwickelte CAS-Modell die Tendenzen in den globalen Flash-Boiling-Spray-Charakteristika für verschiedene Betriebsbedingungen und Kraftstoffe hinreichend gut erfasst.

In order to accurately quantify flash-boiling injection processes in direct-injection spark-ignition (DISI) engines, it is imperative to develop a fundamental understanding of the underlying physics associated with this complex injection phenomenon at a microscopic level. In this dissertation, first, single-droplet flash-boiling is investigated by employing a Lagrangian particle tracking (LPT) approach considering both internal and external vaporization processes. Next, a novel reduced-order Lagrangian model is proposed for accurately capturing the vapor bubble growth in superheated microdroplets considering bubble-bubble interactions along with the finite droplet-size effects. It is observed that bubble-bubble interactions have a notable impact on the bubble growth dynamics and lead to a slower expansion of the vapor bubble in the later stage of growth. After that, a simplified nondimensional semi-analytical solution for bubble growth, which also includes the bubble interactions, is derived based on the dimensional analysis of the newly derived Rayleigh-Plesset equation (RPE) to estimate the bubble growth behavior with reasonable accuracy using larger time step sizes for a wide range of operating conditions, thus making it useful for simulations of superheated sprays with large numbers of droplets.A large-eddy simulation (LES) of flash-boiling spray employing Lagrangian particle tracking is then performed with the newly derived subgrid-scale model for the bubble growth in a multibubble environment. The simulation results are compared against experimental measurements in terms of liquid penetration length and steady-state Sauter-mean diameter. A one-dimensional (1D) cross-sectionally averaged spray (CAS) model is also developed in this dissertation for use in faster simulations of flash-boiling sprays. It is found that the newly developed CAS model captures the trends in global flash-boiling spray characteristics reasonably well for different operating conditions and fuels.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)