CFD modeling of Diesel combustion with tabulated kinetics based on homogeneous reactor assumption

This thesis is focused on the study of Diesel combustion process, in particular on the tabulation of chemical kinetics. This research's field aims to a precise description of the chemistry in engine's CFD simulations, by using detailed kinetic schemes, but with a strong reduction of computational cost, through the storage and retrieval of previous solutions. Within this context, a new program has been developed, it is implemented in Python programming language and adopts Cantera package to handle thermodynamic properties and reaction rates. The code simulates combustion in homogeneous constant pressure reactor and computes reaction rates and chemical compositions for a wide range of initial conditions. Values are then stored in a table, that will be coupled to a CFD solver able to extrapolate data, in order to obtain source terms of transport equations. In principle the produced tables are realized to be coupled to any CFD solver, here Lib-ICE, an OpenFOAM library for internal combustion engine simulation, is used. The new method has been validated through different types of simulations. First tests are realized in a constant pressure reactor. Subsequently the accuracy of the table has been verified comparing results from calculations in a constant volume environment, with experimental data from Sandia combustion vessel. Finally, an extensive validation has been carried out on a real Diesel engine, to verify that the program is able to correctly reproduce the evolution of all quantities varying inside the cylinder, namely pressure, rate of heat release, carbon monoxide and nitrogen oxides' distributions. The obtained results allow to consider this method as an interesting alternative to the ones currently used to describe chemistry during Diesel combustion.

Questo lavoro di tesi studia il processo di combustione Diesel, in particolare la tabulazione della cinetica chimica. L'obiettivo è una precisa descrizione della chimica durante le simulazioni CFD di motori a combustione interna. La tabulazione permette di utilizzare schemi cinetici dettagliati con una consistente riduzione dell'onere computazionale, grazie all'immagazzinamento ed eventuale recupero di soluzioni precedenti. È stato quindi sviluppato un nuovo programma, implementato nel linguaggio di programmazione Python, che adotta il pacchetto Cantera per la manipolazione delle proprietà termochimiche. Il codice simula la combustione in un reattore omogeneo a pressione costante, calcola le velocità di reazione e le composizioni chimiche per diverse condizioni iniziali e memorizza questi valori in una tabella. Quest'ultima verrà poi accoppiata ad un solutore CFD in grado di estrapolare i dati necessari per poter risolvere le equazioni di trasporto. Data la generalità dell'approccio, le tabelle possono essere utilizzate da qualsiasi solutore; in questo lavoro si è scelto Lib-ICE, una libreria specifica per i motori, basata sulla tecnologia OpenFOAM. Il nuovo metodo di tabulazione è stato validato attraverso diversi tipi di simulazione, di complessità crescente. Il primo caso è stato realizzato in un reattore a pressione costante, poi si è passati ad analizzare un ambiente a volume costante ed infine alla simulazione di un motore Diesel. Per ognuna di queste validazioni l'accuratezza delle tabelle è stata verificata confrontando i risultati delle simulazioni con numerosi dati sperimentali. I risultati ottenuti in questo contesto permettono di considerare il metodo proposto come un'interessante alternativa a quelli correntemente utilizzati per descrivere la chimica durante la combustione di tipo Diesel.