CFD modeling of constant-volume Diesel combustion considering conventional and alternative fuels

The aim of this thesis is to analyze non-premixed combustion which is also referred to diesel combustion with four different combustion models which are Representative Interactive Flamelet (RIF) Model, Tabulated Well-Mixed (TWM) Model, Tabulated Representative Interactive Flamelet (TRIF) Model and Approximated Diffusion Flamelet (ADF) Model. In addition to this, different chemistry mechanisms and fuels are validated with RIF model. Soot formation prediction is also one of the parts of this study by adapting semi-empirical soot model by Leung et al. into TWM model since tabulation gives benefit on time consideration. CFD simulations are performed under constant volume vessel by using OpenFOAM which is a Linux based open source CFD tool. Lib-ICE application and libraries are developed by Politecnico di Milano Internal Combustion Engine Group and they are used to perform combustion simulations with described models since all solvers are already included in libraries. Validation of the simulations are exercised by experimental data provided by Sandia National Laboratories, Engine Combustion Network. First of all, the behavior of combustion models is tested with n-dodecane fuel under different operating conditions with respect to experimental one in order to understand how models are capable of predicting combustion phenomena accurately in terms of heat release rate and maximum temperature within the vessel. After validation of the combustion models, trend for soot particle formation are exercised with TWM model by changing the particular constants defined in soot model and behavior of DME which is an alternative fuel for diesel engines is investigated with validated RIF combustion model.

Lo scopo della presente tesi è quello di analizzare la combustione non premiscelata, tipica nei motori Diesel, attraverso l’utilizzo di quattro diversi modelli: Representative Interactive Flamelet (RIF), Tabulated Well-Mixed (TWM), Tabulated Representative Interactive Flamelet (TRIF) e Approximated Diffusion Flamelet (ADF). Inoltre, diversi meccanismi di cinetica chimica e combustibili sono testati, utilizzando il modello RIF. I modelli a cinetica tabulata riescono a dare rilevanti vantaggi in termini di costi computazionali: la formazione di soot è quindi esaminata grazie al utilizzo del modello semi-empirico proposto da Leung et al., applicato al modello di combustione TWM. Le analisi CFD sono eseguite all’interno della camera di combustione a volume costante, utilizzando OpenFOAM, che è un applicazione open source implementata nel ambiente Linux. I solutori e le librerie della Lib-ICE sono stati sviluppati dal gruppo Internal Combustion Engine del Politecnico di Milano, questi sono stati utilizzati per eseguire le simulazioni di combustione con i modelli sopra citati. La validazione delle simulazioni è proposta utilizzando i dati sperimentali forniti da Sandia National Laboratories, Engine Combustion Network. Innanzitutto, il comportamento dei modelli di combustione è testato con n-dodecane combustibile considerando diverse condizioni operative, con lo scopo di ottenere informazioni sulla capacità dei modelli di predire con accuratezza il fenomeno di combustione, in termini di heat release rate e massima temperatura all’interno del camera. Successivamente alla convalida, l’andamento della formazione delle particelle di soot è analizzata testando e tarando le costanti definite da Leung et al., il modello di combustione TWM è stato utilizzato. Infine il comportamento del DME, il quale è un combustibile alternativo per motori Diesel, è studiato con il modello di combustione RIF.