Analisi e ottimizzazione di un approccio a flamelet instazionari per la previsione di fiamme turbolente non premiscelate

This thesis is focused on the CFD modeling of Diesel combustion in direct injection reciprocal engines by means of Representative Interactive Flamelet model (RIF), either using single flamelet or multiple flamelet (mRIF). This model is based on the laminar flamelet concept, and it was previously implemented by the ICE group of Politecnico di Milano inside the OpenFOAM library named Lib-ICE. This investigation is carried on comparing the experimental measurements in constant volume vessel provided by the Engine Combustion Network (ECN) with the numerical results in order to understand the influence of the reaction mechanism and the number of flamelet on the modeled flame structure. In the second part of this work the focus is shifted on modeling ignition, low-temperature combustion, stabilizzation, high-temperature combustion and soot emissions: according to numerical results, mRIF model with indipendent initialization of flamelet approach is able to predict all the main features of flame structure. In order to reduce the increase of CPU time caused by high number of flamelet required, three CPU time reduction techiniques are developed and implemented, named Virtual Species approach, frozing flamelet approach and merging flamelet approach, reaching 75% overall CPU time saving. At the end of this work, multiple injections, engine and equivalent constant volume vessel cases are modeled to investigate the behavior of the RIF model in complex phenomena.

In questo lavoro di tesi si è analizzato il processo di combustione nei motori Diesel a iniezione diretta con il modello Representative Interactive Flamelet (RIF), sia in configurazione singolo flamelet che in quella multiple flamelet (mRIF). Questo modello di combustione, basato sul laminar flamelet concept, è stato precedentemente implementato all'interno della libreria OpenFOAM sviluppata dal ICE Group del Politecnico di Milano per simulare i processi che intervengono nei motori a combustione interna che va sotto il nome di Lib-ICE. Partendo dalle rilevazioni sperimentali in reattori a volume costante, messe a disposizione dal network di centri di ricerca per lo studio del processo di combustione nei motori a combustione interna ECN (Engine Combustion Network), si è inizialmente studiato il comportamento del modello al variare del meccanismo cinetico e del numero di flamelet utilizzati. Si è poi passati all'analisi del fenomeno di accensione, combustione a bassa temperatura, stabilizzazione, transizione alla fase ad elevata temperatura ed emissione di particolato: investigando le capacità di previsione del modello si è potuto constatare che il modello RIF con un numero elevato di flamelet, inizializzati indipendentemente l'uno dall'altro, è in grado di cogliere con precisione i principali aspetti dell'intero processo. Parallelamente all'analisi del processo di combustione sono state sviluppate e implementate tre tecniche di riduzione dei tempi di calcolo: l'approccio Virtual Species, il frozing e il merging dei flamelet permettono l'utilizzo di un numero elevato di flamelet senza eccessivi aggravi sull'onere computazionale, abbattuto complessivamente fino al 75%. Successivamente si è indagato il comportamento del modello in applicazioni con legge di iniezione complessa, per poi concludere con l'analisi di due casi motore e dei casi in reattore a volume constante equivalenti.