Modellazione CFD del processo di formazione della miscela aria-combustibile e combustione in condizioni operative tipiche di motori Diesel heavy duty

A detailed description of the air-fuel mixture formation process and the relative combustion in diesel engines allows to evaluate the performance and the development of pollutants. The present work is based on mathematical modeling and numerical simulation of the injected fuel spray in a constant volume chamber. The gas phase has been described with an Eulerian approach while the liquid phase has been modeled by a Lagrangian approach. Turbulence models, atomization and secondary breakup were then added to the study. After a detailed analysis about the effect of the main parameters related to the breakup models and the spray characteristics, the optimal arrangement was identified. The calibration process has allowed to obtain an acceptable correspondence between numerical and experimental results in relation to liquid-vapor penetration, but an unphysical spray morphology. For this reason the CFD code has been modified to obtain the Spray Optical Thickness, that is a representative index of the local spray structure. Therefore, the model was recalibrated according to this new index. Subsequently CFD simulations were carried out to model the combustion process. A good agreement between numerical and experimental results has been observed in terms of pressure, Ignition Delay, Lift-Off Length and Rate of Heat Release.

Una descrizione dettagliata del processo di formazione della miscela aria-combustibile e la relativa combustione nei motori diesel permette di valutare le prestazioni e la formazione degli inquinanti. Il presente lavoro è basato inizialmente sulla modellazione matematica e sulla simulazione numerica dello spray di combustibile iniettato all’interno di una camera a volume costante. La fase gas è stata descritta mediante un approccio euleriano, mentre la fase liquida è stata modellata da un approccio lagrangiano; sono stati quindi aggiunti i modelli di turbolenza, atomizzazione e breakup secondario. Dopo un attento studio sull’effetto dei principali parametri dei modelli di breakup sulle caratteristiche dello spray, è stata individuata la configurazione ottimale. La calibrazione dei parametri ha permesso di ottenere una corrispondenza soddisfacente tra risultati numerici e sperimentali in termini di penetrazione liquido-vapore, tuttavia si è osservata una morfologia dello spray fisicamente non corretta. Per questo motivo il codice di calcolo è stato modificato al fine di ottenere lo Spray Optical Thickness, indice rappresentativo della struttura locale dello spray. In base a questa nuova grandezza i parametri di breakup sono stati ritarati. Successivamente sono state svolte simulazioni CFD per la modellazione del processo di combustione. Una buona corrispondenza tra risultati numerici e sperimentali è stata osservata in termini di Pressione, Ignition Delay, Lift-Off Length e Rate of Heat Release.