Numerical simulation of dilute spray in a vessel

A great amount of research is going on in the field of High-pressure, turbulent spray injection. It is one of the most challenging branch of combustion science since a spray atomization is a complex phenomenon which is difficult to anticipate due to numerous simultaneously acting instabilities. Therefore a numerous state of the art CFD codes are being utilized to precisely predict the spray dynamics. In a past decade the use of vehicles (including commercial aircrafts) has increased to a substantial extent. Due to such a large scale use of combustion engines, pollution related concerns are escalating. Many countries have started putting rigorous restrictions on emission related regulations. Therefore a need for an accurate prediction of liquid spray penetration and vapor evolution has arised because the efficiency of the combustion is directly affected by the fuel atomization quality and fuel-air mixing. Thanks to the fundamental equations of fluid dynamics, which allow us to predict spray breakup process with sufficient precision and accuracy. With the help of Computational Fluid Dynamics, it is now possible to deal with such complex problems like atomization and turbulence which can not be solved analytically. CFD tools and methods can allow an accurate analysis of the spray dynamics. Therefore more accurate tools are essential to analyze, control and optimize the spray in modern aerospace industries especially in the fields of energy distribution and management. There are several models developed over the years to suit the requirements of complex physics transpiring inside the liquid structure. Though each model works in a different way by taking into account several aspects of flow physics. In this work, we will study the effect of different aspects on penetrations including turbulence and atomization models, collision models and droplet size distribution. For this purpose we have considered a sprayA to validate the models with respect to experimental data. An Eulerian-Lagrangian approach based on OpenFOAM libraries is implemented to model non-reacting evaporating spray injection dynamics. A high pressure fuel spray is injected into a combustion vessel of simplified geometry which replicates the actual experimental combustion vessel used by ECN. A minor initial tuning of the spray sub-models and turbulence model constants has been performed to resemble experimental data. A simulation fidelity with respect to different models is examined and discussed.

Sono in corso numerose ricerche nel campo dell'iniezione spray turbolenta ad alta pressione. È uno dei rami più impegnativi della scienza della combustione poiché un'atomizzazione a spruzzo è un fenomeno complesso che è difficile da prevedere a causa delle numerose instabilità ad azione simultanea. Pertanto, vengono utilizzati numerosi codici CFD all'avanguardia per prevedere con precisione la dinamica dello spruzzo. Negli ultimi dieci anni l'uso di veicoli (compresi gli aeromobili commerciali) è aumentato notevolmente. A causa di un uso così ampio dei motori a combustione, le preoccupazioni legate all'inquinamento stanno aumentando. Molti paesi hanno iniziato a imporre rigorose restrizioni alle normative relative alle emissioni. Pertanto è emersa la necessità di una previsione accurata della penetrazione di spray liquido e dell'evoluzione del vapore perché l'efficienza della combustione è direttamente influenzata dalla qualità dell'atomizzazione del carburante e dalla miscelazione aria-carburante. Grazie alle equazioni fondamentali della fluidodinamica, che ci consentono di prevedere il processo di rottura dello spray con sufficiente precisione e accuratezza. Con l'aiuto della fluidodinamica computazionale, è ora possibile affrontare problemi così complessi come l'atomizzazione e la turbolenza che non possono essere risolti analiticamente. Gli strumenti e i metodi CFD possono consentire un'analisi accurata della dinamica dello spray. Pertanto strumenti più precisi sono essenziali per analizzare, controllare e ottimizzare lo spray nelle moderne industrie aerospaziali, in particolare nei settori della distribuzione e della gestione dell'energia. Esistono diversi modelli sviluppati nel corso degli anni per soddisfare le esigenze della fisica complessa che traspira all'interno della struttura liquida. Sebbene ogni modello funzioni in modo diverso, tenendo conto di diversi aspetti della fisica del flusso. In questo lavoro studieremo l'effetto di diversi aspetti sulle penetrazioni, inclusi i modelli di turbolenza e atomizzazione, i modelli di collisione e la distribuzione delle dimensioni delle goccioline. A tale scopo abbiamo considerato uno sprayA per validare i modelli rispetto ai dati sperimentali. Un approccio euleriano-lagrangiano basato su librerie OpenFOAM è implementato per modellare la dinamica dell'iniezione di spray evaporante non reattiva. Uno spray per carburante ad alta pressione viene iniettato in un recipiente di combustione di geometria semplificata che replica l'attuale recipiente di combustione sperimentale utilizzato dall'ECN. È stata eseguita una piccola messa a punto iniziale dei sottomodelli di spruzzatura e delle costanti del modello di turbolenza per assomigliare ai dati sperimentali. Viene esaminata e discussa una fedeltà di simulazione rispetto a diversi modelli.