Development of a comprehensive CFD model for spark-ignition engine combustion

Objective of this work is the development of a Comprehensive CFD Model to predict Spark-Ignition (SI) engine combustion. To this end, a run-time coupled Eulerian-Lagrangian strategy was chosen to describe ignition and flame propagation, accounting for complex electrical circuit features, stretch effects and thermo-diffusive flame instabilities (Lewis number influence). In particular, the effects of energy transfer from electrical circuit and turbulent flame propagation were fully decoupled. The first ones are taken into account by Lagrangian particles whose main purpose is to generate an initial burned field in the computational domain. Turbulent flame development is instead considered only in the Eulerian gas phase for a better description of the local flow effects. Concerning the turbulent combustion modelling, two different approaches were investigated. The Flame Surface Density model was used to validate the Comprehensive Model in a RANS context. The Artificially Thickened Flame (ATF) model was analyzed for future LES investigations and improved in terms of flame front detection and treatment of the mixture fraction gradient thickening. For what concerns the Comprehensive Model validation, several steps were followed. A preliminary assessment of proposed flame stretch and electrical circuit models was performed over simplified configurations, in order to understand separately their predicting capabilities. Then, experiments carried out at Michigan Tech University in a pressurized, constant-volume vessel were used to validate the general approach. On the other hand, the Darmstadt Turbulent Stratified Flame (TSF) burner was selected to provide a preliminary assessment of the ATF model implementation, because characterized by a three-pipes ejector where a stationary flame is generated over a lean-lean charge stratification. The final part of the work is dedicated to some first steps towards additional validations of the proposed modelling strategies. First, an heat losses analysis was carried out on the TSF burner, in preparation to future non-adiabatic investigations. Then, combustion tests were performed on the Orleans spherical constant-volume vessel, in which a nearly isotropic turbulence intensity can be controlled nearby the central ignition zone.

Obiettivo di questo lavoro è lo sviluppo di un modello CFD per prevedere la combustione in motori ad accensione comandata. A tal proposito, è stata scelta una strategia Eulero-Lagrangiana per descrivere l'accensione e la propagazione della fiamma, tenendo conto non solo delle complesse caratteristiche del circuito elettrico, ma anche degli effetti di stiramento e delle instabilità termo-diffusive della fiamma (influenza del numero di Lewis). In particolare, gli effetti del trasferimento di energia dal circuito elettrico e la propagazione della fiamma turbolenta sono stati completamente disaccoppiati. I primi sono presi in considerazione da particelle lagrangiane, il cui scopo principale è quello di generare un campo iniziale bruciato nel dominio di calcolo. Lo sviluppo turbolento della fiamma viene invece considerato solo nel dominio euleriano, per una migliore descrizione degli effetti locali del flusso. Per quanto riguarda la modellazione della combustione turbolenta, sono stati studiati due diversi approcci. Il modello Flame Surface Density è stato usato per validare l’intero approccio CFD in un contesto RANS. Il modello Artificially Thickened Flame (ATF) è stato invece studiato in ottica di future indagini LES e migliorato in termini di rilevamento del fronte di fiamma e di trattamento dell'ispessimento del gradiente della mixture fraction. Per quanto riguarda la validazione dell’intero modello CFD, sono stati seguiti diversi passaggi. Una valutazione preliminare dei modelli proposti per lo stiramento della fiamma e per il circuito elettrico è stata eseguita su configurazioni semplificate, al fine di comprendere separatamente le loro capacità di previsione. Quindi, gli esperimenti condotti presso la Michigan Tech University in un recipiente pressurizzato a volume costante sono stati utilizzati per validare l'approccio generale. Invece, il bruciatore a fiamma stratificata turbolenta (TSF) di Darmstadt è stato selezionato per una valutazione preliminare dell'implementazione del modello ATF, poiché caratterizzato da un eiettore a tre tubi in cui una fiamma stazionaria viene generata su una stratificazione di carica in campo magro. La parte finale del lavoro è dedicata ad alcuni primi passi verso ulteriori validazioni delle strategie di modellazione proposte. In primo luogo, è stata effettuata un'analisi delle perdite termiche sul bruciatore TSF, in preparazione a future indagini non adiabatiche. Quindi, test di combustione sono stati effettuati nel recipiente sferico a volume costante di Orleans, in cui un'intensità di turbolenza quasi isotropa può essere controllata nelle vicinanze della zona di accensione centrale.