Multi-dimensional modelling of the turbulent jet ignition process in a divided chamber constant volume vessel

In this thesis work the ignition process, known as Turbulent Jet Ignition (TJI), was evaluated through simulations of computational dynamic fluid (CFD). The aim of this work was to validate a model for this mechanism starting from experimental data. In the last period the research activities in the engine industry have concentrated on the reduction of emissions and consumption, trying to maintain a high efficiency; TJI allows to achieve these objectives. The combustion process was simulated with a mixture of CH4/air in a constant volume vessel consisting of a pre-chamber and a main chamber, connected through a nozzle. Furthermore, the configuration used in the TJI experiments was replicated. Through the Weller combustion model, simulations were conducted to create a numerical set-up, first performing a sensitivity analysis on the boundary conditions and then an analysis of the results. In the second part of the work, after finding the boundary conditions that made numerical simulations similar to the experimental ones, two different combustion models were applied: a model with an equation and a two-equation model. Then, initial conditions have been changed, as performed in the experiments, to look for a distinction between jet ignition and flame ignition. Both Weller models applied to the case did not allow to obtain a clear distinction between the two ignition mechanisms, despite the trend of some numerical results reproducing the experimental ones.

In questo lavoro di tesi è stato valutato il processo di accensione noto come Turbulent Jet Ignition (TJI), attraverso simulazioni di fluido dinamica computazionale (CFD). Si è cercato di validare un modello per tale meccanismo partendo da dati sperimentali. Nell’ultimo periodo le attività di ricerca nel settore motoristico si sono concentrate sulla riduzione delle emissioni e dei consumi, tentando di mantenere un’alta efficienza; questo metodo innovativo (TJI) permette di raggiungere tali obiettivi. Il processo di combustione è stato simulato con una miscela di CH4/aria in un serbatoio a volume constante costituito da una pre-camera e una camera principale collegate attraverso un orifizio. È, inoltre, stata replicata la configurazione utilizzata negli esperimenti condotti sulla TJI. Attraverso il modello di combustione di Weller, sono state condotte delle simulazioni per creare un set-up numerico, effettuando prima un’analisi di sensitività sulle condizioni al contorno e poi un’analisi dei risultati. Nella seconda parte del lavoro, dopo aver trovato le condizioni al contorno che rendevano le simulazioni numeriche simili a quelle sperimentali, sono stati applicati due differenti modelli di combustione: un modello a un’equazione e un modello a due equazioni. Si è quindi provato a cambiare le condizioni iniziali, come effettuato negli esperimenti, per ricercare una distinzione tra jet ignition e flame ignition. Entrambi i modelli di Weller applicati al caso non hanno permesso di ottenere una netta distinzione tra i due meccanismi di accensione, nonostante l’andamento di alcuni risultati numerici riproducesse quelli sperimentali.