Combustion of ethanol-air mixtures in closed vessel - comparison of simulations with the use of RANS and LES method

• Autorzy: Jaworski P. , Żbikowski M. , Teodorczyk A.

Warianty tytułu

PL

Spalanie mieszaniny etanolu z powietrzem w komorze o stałej objętości - Porównanie wyników symulacji przy użyciu metody LES i RANS

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Large Eddies Simulations (LES) has become recently a powerful computational tool with application to turbulent flows. It links classical Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) approach and Direct Numerical Simulation (DNS). This modeling approach computes the large eddies explicitly in a time-dependent simulation using the filtered Navier-Stokes equations. Filtering is essentially a mathematical manipulation of the exact Navier-Stokes equations to remove the eddies that are smaller than the size of the filter. LES resolves the large flow scales that depend directly on the geometry where small scales are modeled by the sub-grid-scale models. LES is expected to improve the description of the aerodynamic and combustion processes in Internal Combustion Engines. With LES it is possible to resolve the essential part of the flow energy, yielding reliable results. Proper predictions depend on the quality of sub-grid-scale (SGS) models. In this paper the results of computational analysis are compared with experimental results for combustion in constant volume chamber. In that way there is a possibility to see the difference in results of initial flame kernel and laminar flame development. Simulations were made with two CFD codes: Fire and Fluent, which allowed to compare the experimental and simulation results for RANS and LES method and make further improvement in LES combustion model for application in full engine simulation.

PL

LES jest znakomitym narzędziem obliczeniowym przepływów turbulentnych łączącym powszechnie używaną metodę RANS (Reynolds Average Navier Stokes Equation) z DNS (Direct Numerical Simulation). W skrócie metoda LES opiera się na zastosowaniu filtru do równań Naviera-Stokesa i wprowadzeniu rozdziału na zjawiska wielko-skalowe (duże wiry) oraz drobno-skalowe. Zjawiska wielko-skalowe są obliczane przez bezpośrednie rozwiązanie przefiltrowanych równań N-S, natomiast drobno-skalowe są modelowane w skali podsiatkowej. Możliwe jest dzięki temu bezpośrednie obliczenie dużych wirów i wirów biorących udział w procesie kaskadowym. Wiry małe, zależne głównie od lepkości są modelowane, ale wymaga to zastosowanie odpowiednio gęstej siatki od której zależy proces filtrowania. Filtrowanie jest matematyczną manipulacją równań N-S polegającą na wyodrębnieniu wirów z turbulentnego pola przepływu, które są większe niż wielkość zastosowanego filtru. Mimo to właściwe wyniki symulacji uzależnione są również od jakości modelowania w skali podsiatkowej. W pracy przedstawiono porównanie wyników badań eksperymentalnych i symulacyjnych procesu spalania mieszanki ethanolu z powietrzem w komorze o stałej objętości. Celem tej pracy jest przedstawienie pierwszych wyników dla tworzonego modelu spalania w LES.

Słowa kluczowe

EN

LES; RANS; Large Eddies Simulations; Reynolds Averaged Navier-Stokes; internal combustion engines; Sub-Grid-Scale models; combustion; constant volume chamber

PL

LES; DNS; RANS; silniki tłokowe; model SGS (podsiatkowy); spalanie

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Naukowe Silników Spalinowych
• Czasopismo: Silniki Spalinowe
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 50, nr 3
• Opis fizyczny: Pełny tekst na DVD, Bibliogr. 27 poz.

Twórcy

autor

Jaworski P.

autor

Żbikowski M.

autor

Teodorczyk A.

• Faculty of Mechanical Engineering at Warsaw University of Technology

Bibliografia

• [1] J. Janicka, A. Sadiki. Large eddy simulation of turbulent combustion systems. Proceedings of the Combustion Institute 30 (2005) 537-547.
• [2] Amsden AA, O'Rourke PJ, Butler TD. KIVAII: a computer program for chemically reactive flows with sprays. Los Alamos National Laboratory Report LA- 11560-MS, 1989.
• [3] Khalighi B, El Tahry SH, Haworth DC, Huebler MS. Computation and measurement of flow and combustion in a four-valve engine with intake variations. SAE Paper No. 950287, 1995.
• [4] El Tahry SH, Haworth DC. A perspective on the state-of-the-art in IC engine combustion modeling. In: SIAM Sixth International Conference on Combustion, New Orleans, LA. 1996.
• [5] Haworth DC, El Tahry SH, Huebler MS. A global approach to error estimation and physical diagnostics in multidimensional computational fluid dynamics. Int J Num Methods in Fluids 1993;17:75-97.
• [6] V. Moureau, I. Barton, C. Angelberger, T. Poinsot. Towards Large Eddy Simulation in Internal-Combustion Engines: simulation of a compressed tumble flow. SAE International 2004-01-1995.
• [7] Celik, I., Yavuz, I. & Smirnov, A. Large Eddy Simulations of In-Cylinder Turbulence for IC Engines: A Review. Int. Journal of Engine Research, Vol. 2, No. 2, 2001.
• [8] D.C. Hawortha, K. Jansenb. Large-eddy simulation on unstructured deforming meshes: towards reciprocating IC engines. Computers & Fluids 29 (2000) 493-524.
• [9] H. Gen Fujimoto, T. Hori, J. Senda. 3-D Simulation of Non-vaporating Diesel Spray by Means of LES. 2006 Japan-China Seminar on Preparation and Utilization of Clean Fuels and their Control of Combustion and Emissions (21-22 Aug. 06).
• [10] Pope S B 2004. Ten questions concerning the large-eddy simulation of turbulent flows New J. Phys. 6 1-24.
• [11] E. S. Oran and J. P. Boris. Numerical Simulation of Reactive Flow. Second Edition Elsevier (2000).
• [12] D. Goryntsev. Large Eddy Simulation of the Flow and Mixing Field in a Internal Combustion Engine. (2004).
• [13] U. Piomelli, High Reynolds number calculation using the dynamic subgrid scale stress model, Phys. Fluids A 5 (6) (1993) 1484-1490.
• [14] M. Germano, U. Piomelli, P. Moin, W. Cabot, A dynamic subgrid-scale eddy viscosity model, Summer Program, Center for Turbulence Research, Stanford University, Stanford, CA, 1990.
• [15] Horg-Wen Wu, Shiang-Wuu Perng, LES analysis of turbulent flow and heat transfer in motored engines with various SGS models, International Journal of Heat and Mass Transfer 45 (2002) 2315-2328.
• [16] Kerstein, A. R. and Ashurst, W. T., Field equation for Interface propagation in an Unsteady Homogeneous Flow Field, Phys. Rev. A, Vol. 37 (1988), 2758-2731.
• [17] Im, H. G., Lund, T. S. and Ferziger, J. H., Large Eddy Simulation of Turbulent Front Propagation with Dynamic Subgrid Models, Phys. Fluid, Vol. 9 (1997), 3826-3833.
• [18] P. Wang, X.S. Bai, Large Eddy Simulation of Turbulent Premixed Flames using Level-Set G-Equation, Proc. Combust. Inst., Vol. 30 (2005), 582-591.
• [19] H. Pitsch, L. Duchamp De Lageneste, Large Eddy Simulation of Premixed Turbulent Combustion using a Level-Set Approach, Proc. Combust. Inst., Vol. 29 (2002), 2001-2008.
• [20] F.A. Jaberi, P.J. Colucci, S. James, P. Givi, Pope, S.B., Filtered Mass Density Function for Large Eddy Simulation of Turbulent Reacting Flows, J. Fluid Mech., Vol. 401 (1999), 85-121.
• [21] Sheikhi, M.R.H., Drozda, T.G., Givi, P., Jaberi, F.A. and Pope, S.B., Large Eddy Simulation of a Turbulent Nonpremixed Piloted Methane Jet Flame (Sandia Flame D), Proc. Combust. Inst., Vol. 30 (2005), 549-556.
• [22] Colin, O., Ducros, F.,Veynante, D., Poinsto, T., A Thickened Flame Model for Large Eddy Simulation of Turbulent Premixed Combustion, Phys. Fluid, Vol. 12, No 7 (2000), 1843-1863.
• [23] S.Y. Liao, D.M. Jiang, Q. Cheng, Z.H. Huang, Q. Wej, "Investigation of the Cold-Start Combustion Characteristics of Ethanol-Gasoline Blends in a Constant-Volume Chamber", Energy & Fuels, 2005, 19(3), pp. 813-819.
• [24] S.Y. Liao, D.M. Jiang, Q. Cheng, Z.H. Huang, K. Zeng, "Determination of the laminar burning velocities for mixtures of ethanol and air at elevated temperatures", Applied Thermal Engineering 27, 2007, pp. 374-380.
• [25] V. Molkov, F. Verbecke, D. Makarov, "LES of hydrogen-air deflagrations in a 78.5 m tunnel", Combustion Science and Technology, Vol. 180, pp. 1-13, 2008.
• [26] Oran ES, Boris JP. Numerical Simulation of Reactive Flow. 2nd edition, 2001. Cambridge University Press.
• [27] Laskey KJ, Oran ES, Boris JP. The Gradient Method for Interface Tracking. Report, Naval Research laboratory, 1988.