Modellazione del processo di combustione in motori Diesel mediante modelli di combustione basati su cinetica chimica tabulata

This thesis is focused on the study of the combustion process, with particular reference to the Diesel engines. With this intent a new solver has been developed, and validated, in the lib-ICE library, developed by the ICE group of Politecnico di Milano, based on open source code OpenFOAM. This model uses the tabulation of chemical kinetics, which allows the use of detailed kinetic schemes with a reduced computational cost. In this work, the tables were generated from simulations of perfectly stirred reactor at constant pressure, with the possibility of using the beta-PDF approach, to take into account the effects of the turbulence-chemistry interaction. The validation of the model was performed through different types of simulations. First, table generation has been tested through PSR simulations. Subsequently the accuracy of the model has been tested in premixed combustion in a HCCI engine. The model meets the experimental data and it shows higly speed-up-factor while maintaining simulation results comparable to solving on-the-fly chemical kinetics. Finally, using the experimental data available from Engine Combustion Network, it was possible to verify the behavior of the model with a turbulent non-premixed flame in various operating conditions. The results obtained shows a good accuracy in representing the variation trend of ignition delay and lift-off, as well as the diffusive flame structure. However, it was observed an underestimation of the absolute value of the lift-off.

In questo lavoro di Tesi, è stato studiato il processo di combustione, con particolare riferimento ai motori Diesel. Con questo intento è stato sviluppato e validato un nuovo solutore all'interno della libreria lib-ICE, sviluppata dal gruppo di motori del Politecnico di Milano, basata sul softwere open source OpenFOAM. Questo modello sfrutta la tabulazione della cinetica chimica, che permette l'utilizzo di schemi cinetici dettagliati ad un costo computazionale molto ridotto. In questo lavoro, la tabella è stata generata a partire da simulazioni di reattori perfettamente miscelati a pressione costante, con la possibilità di utilizzare l'approccio beta-PDF, per tenere in considerazione gli effetti della turbulence-chemistry interaction. La validazione del modello è stata eseguita attraverso diverse tipologie di simulazioni. Per prima cosa è stata verificata la corretta costruzione della tabella attraverso delle simulazioni PSR. Successivamente ne è stata testata l'accuratezza in caso di combustione premiscelata all'interno di un motore HCCI. Il modello è risultato in accordo con i dati sperimentali e si è dimostrato, a parità di accuratezza, molto più veloce del modello well-mixed, che utilizza l'integrazione diretta della chimica. Infine, utilizzando i dati sperimentali resi disponibili dall'Engine Combustion Network, si è potuto verificare il comportamento del modello con una fiamma turbolenta non premiscelata, in varie condizioni operative. I risultati ottenuti hanno mostrato una buona accuratezza nel rappresentare i trend di variazione dell'ignition delay e del lift-off, oltre che la struttura di fiamma diffusiva. Si è riscontrata però una sottostima del valore assoluto del lift-off.