Large eddy simulation of soot formation in compression ignition engines

Davidovic, Marco; Pitsch, Heinz; Fox, Rodney O.

doi:10.18154/RWTH-2024-07857

Large eddy simulation of soot formation in compression ignition engines = Large Eddy Simulation der Rußbildung in Kompressionszündungsmotoren

Davidovic, Marco^RWTH*

2024

VerantwortlichkeitsangabeMarco Davidovic

ImpressumDüren : Shaker Verlag 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-8440-9571-5

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druckausgabe: 2024. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Pitsch, Heinz (Thesis advisor)^RWTH* ; Fox, Rodney O. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-03-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-07857
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/991740/files/991740.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Technische Verbrennung (411410)

Projekte

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die dringende Notwendigkeit, den Klimawandel einzudämmen, erfordert wirksame Strategien zur raschen Verringerung der Treibhausgasemissionen (THG). Alternative Kraftstoffe (AK), die aus erneuerbaren Energien gewonnen werden, bieten einen vielversprechenden Ansatz zur Verringerung der THG bei gleichzeitiger Nutzung der bestehenden Infrastruktur. Darüber hinaus können AK für bestimmte Anwendungen maßgeschneidert werden, um die Bildung von Schadstoffen wie Ruß zu verringern. Um ihr Potenzial voll ausschöpfen zu können, ist ein detailliertes Verständnis des komplexen Schadstoffbildungsprozesses erforderlich. Die verfügbaren Modelle sind jedoch nicht ausreichend genau, insbesondere bei der Vorhersage von Ruß. Eine große Herausforderung stellt dabei die Modellierung von Turbulenz-Chemie Interaktionen (TCI) dar. Da die Gasphasenchemie in erheblichem Maße durch das lokale Mischungsfeld beeinflusst wird, werden TCI häufig mit mischungsbruchbasierten Modellen berücksichtigt, welche relativ geringe Rechenkosten aufweisen. Diese Modelle lösen die Mischungsentwicklung im physikalischen Raum, während reaktive Skalare auf der Grundlage des Mischungsbruches berechnet werden. Konventionelle Modelle berücksichtigen jedoch nicht, dass der Skalartransport im Mischungsbruchsraum konsistent mit der Mischungsentwicklung im physikalischen Raum formuliert werden muss. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass diese Inkonsistenz zu erheblichen Fehlern bei der Massenerhaltung bestimmter Skalare, wie z. B. der Rußmasse, führt. Ein weiterer Beitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung von zwei analytisch konsistenten mischungsbruchbasierten Modellen, die, insbesondere hinsichtlich der Rußbildung, eine bessere Vorhersagegenauigkeit als herkömmliche Ansätze aufweisen. Diese neuen Modelle werden in Large-Eddy-Simulationen (LES) von selbstzündenden Spray-Flammen angewandt. Es wird gezeigt, dass die Verwendung von dissipativen numerischen Methoden im LES-Löser ebenfalls Erhaltungsfehler verursacht, welche jedoch durch den Einsatz von wenig dissipativen Verfahren oder diskret konsistenten Ansätzen deutlich reduziert werden können. Das überarbeitete Verbrennungsmodell wird schließlich zur Simulation eines mit AK betriebenen Kompressionszündungsmotors eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Daten und liefern detaillierte Einblicke in den Rußbildungsprozess.

The urgent need to mitigate climate change demands effective strategies for rapidly reducing greenhouse gas (GHG) emissions. Alternative fuels derived from renewable energy offer a promising approach to reduce GHG emissions while utilizing existing infrastructure. Furthermore, these fuels can be tailored for specific applications to reduce the formation of pollutants, such as soot. To fully exploit their potential, a detailed understanding of the complex pollutant formation process is required. However, the available models are not accurate enough, especially when predicting soot. A major challenge is modeling turbulence-chemistry interactions (TCIs). Since the gas-phase chemistry is significantly influenced by the local mixing field, TCIs are often considered using mixture fraction-based models, which have relatively low computational costs. These models solve for the mixture evolution in physical space, while reactive scalars are calculated based on mixture fraction. Conventional models, however, often disregard that scalar transport in mixture fraction space must be formulated consistently with the mixture fraction evolution in physical space.This thesis demonstrates that this inconsistency leads to significant mass conservation errors for certain scalars, such as soot mass. Another contribution of this work is the development of two analytically consistent mixture fraction-based models, which exhibit better predictive accuracy than conventional approaches, particularly regarding soot formation. These new models are applied in Large Eddy Simulations (LES) of auto-igniting spray flames. It is shown that using dissipative numerical methods in the LES solver also causes significant scalar mass conservation errors, which can be substantially reduced by employing low-dissipative methods or discretely consistent approaches. The revised combustion model is finally applied to simulate a compression ignition engine running on biofuels. The results, showing good agreement with experimental data, provide detailed insights into the soot formation process.

OpenAccess:
PDF
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