CFD simulation of sprays for IC engine applications : effects of sub-models and mesh structure

During this thesis work, the effects of sub-models and mesh structure are evaluated for Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation of sprays for Internal Combustion (IC) engine applications. Nowadays, the objectives of the research activity in the internal combustion engine field include the increase of efficiency and the reduction of emissions. They can be reached through an improvement of the combustion process. To do this, the knowledge of the air-fuel mixing process and the study of sprays are fundamental. CFD is a useful research tool for the study of internal combustion engines. It allows to test different configurations and to achieve accurate results saving time and costs. In CFD simulations of sprays, the liquid dispersed phase is described through a Lagrangian approach coupled with a Eulerian approach for the gas phase. Several sub-models are necessary to describe the spray and its behaviour as well as the turbulent motion that it generates. In the first part of this work, the spray G configuration has been adopted to evaluate the effects of different sub-models on the simulations, with focus on the breakup models. The objective is to find a numerical setup able to predict the experimental results provided by the Engine Combustion Network for spray G configuration. While the models are calibrated, the effects produced by changing their parameters are investigated. In the last part of the work, a numerical analysis on spray simulations has been performed. According to the literature, the numerical results obtained from these simulations strongly depend on the grid adopted. Considering the main mesh structures commonly used for sprays in IC engine applications (spray-oriented grids and cartesian grids), the numerical results are compared analysing the effects related to the grid quality, accounting also for the issues related to the interaction between Lagrangian parcels and grid elements. The final task is to verify the performances provided by different grid structures and to evaluate how the numerical effects influence the results.

In questo lavoro di tesi, sono stati valutati gli effetti dei sotto-modelli e della struttura della mesh sulle simulazioni di Fluido Dinamica Computazionale (CFD) di spray per applicazioni nel campo dei motori a combustione interna. Al giorno d’oggi, gli obiettivi dell’attività di ricerca nel campo motoristico comprendono l’aumento dell’efficienza e la riduzione delle emissioni. Essi possono essere raggiunti attraverso il miglioramento del processo di combustione. Per fare ciò, la conoscenza del processo di formazione della miscela aria-carburante e lo studio degli spray sono fondamentali. La CFD è uno strumento di ricerca molto utile per lo studio dei motori a combustione interna. Essa permette di testare differenti configurazioni e di ottenere risultati affidabili risparmiando tempo e riducendo costi. Nelle simulazioni CFD degli spray, la fase liquida dispersa è descritta tramite un approccio Lagrangiano accoppiato con un approccio Euleriano per la fase gassosa. Diversi sotto-modelli sono necessari per descrivere lo spray e il suo comportamento, oltre che al campo di moto turbolento che esso genera. Nella prima parte di questo lavoro, gli effetti dei diversi sotto-modelli sono valutati utilizzando la configurazione dello spray G, focalizzandosi in modo particolare sui modelli di breakup. L’obiettivo è quello di trovare un setup numerico capace di predire i dati sperimentali forniti dall’ Engine Combustion Network (ECN) per questa configurazione. Mentre i modelli vengono calibrati, sono investigati gli effetti prodotti cambiando i loro parametri. Nell’ultima parte del lavoro, è stata realizzata un’analisi numerica riguardante le simulazioni degli spray. In accordo con quanto affermato dalla teoria, i risultati di questo tipo di simulazioni dipendono fortemente dalla griglia adottata. Prendendo in considerazione le principali strutture di mesh comunemente utilizzate per gli spray in applicazioni motoristiche (griglie spray-oriented e griglie cartesiane), i risultai numerici sono confrontati analizzando gli effetti relativi alla qualità della mesh tenendo conto anche dell’interazione tra le particelle Lagrangiane e gli elementi della mesh stessa. Gli obiettivi sono quelli di verificare le performances fornite dalle diverse strutture e di valutare come gli effetti numerici influenzino i risultati.