Modeling Diesel combustion with tabulated kinetics and different flame structure assumptions

CFD analysis represent an useful approach to investigate advanced combustion modes in engine. Large chemical mechanisms are required for a correct description of the process, especially for the assessment of pollutants. Tabulated chemistry models allow to reduce significantly the computational cost, maintaining a good accuracy. In the present work an investigation of tabulated approaches, based on flamelet assumptions, is carried out to simulate turbulent conventional Diesel combustion in the Spray A framework. The Approximated Diffusion Flamelet ADF is tested under different ambient conditions and compared with Flamelet Generated Manifolds FGM, and experimental data. The work has been focused on flame structures, injection and combustion analysis and soot assessment. The turbulent chemistry interaction has been discovered to play a fundamental role on the ignition event. Therefore, a new look-up table concept 5D-FGM, that accounts for an additional dimension (strain rate), has been developed and tested, giving promising results. Eventually, the Dual-Fuel tabulation has been implemented in python coding, the code simulates the combustion in a homogeneous reactor. CFD utilities and solver have been developed within LibICE via C++ programming, as well. An investigation of this new dual-fuel combustion approach has been performed, before on the homogeneous reactor, and subsequently on the Spray A configuration. A detailed assessment of ignition and flame propagation, for different ambient conditions, is proposed.

Le analisi CFD rappresentano uno strumento utile per studiare modelli avanzati di combustione nei motori. Tuttavia, sono richiesti dei meccanismi cinetici ampi per una corretta descrizione del processo, specialmente per la valutazione degli inquinanti. I modelli a cinetica tabulata permettono una riduzione significativa del costo computazionale, mantenendo una buona accuratezza. Nel presente lavoro di tesi uno studio sui modelli di tabulazione, basati sul concetto di flamelet, è proposto per simulare la combustione turbolenta Diesel nella configurazione Spray A. L’Approximated Diffusion Flamelet ADF è testato variando le condizioni ambientali, ed infine confrontato con il modello Flamelet Generated Manifolds FGM, e i dati sperimentali. Le analisi sono focalizzate sulla struttura della fiamma, sull'iniezione, sulla combustione e sulla valutazione del soot. È emerso che l’interazione chimica-turbolenza riveste un ruolo fondamentale sull'evento di accensione. Perciò, un nuovo concetto di tabulazione 5D-FGM, che considera una dimensione aggiuntiva (strain rate), è stato sviluppato e testato, dando risultati promettenti. Infine, la tabulazione dual-fuel è stata implementata attraverso codifica python, il codice simula la combustione in un reattore omogeneo. In aggiunta, anche le utility e il solutore CFD sono stati sviluppati, attraverso programmazione in C++, all'interno della libreria LibICE. Un’indagine su questo nuovo approccio di combustione è stata eseguita, prima all'interno del reattore omogeneo, e successivamente nella configurazione Spray A. Una dettagliata validazione sull'accensione e propagazione della fiamma, per differenti condizioni ambientali, è proposta.