Multi-dimensional CFD simulation of internal nozzle flows in high pressure fuel injectors

The present work focuses on the modelization of in-nozzle flow and primary break-up of high pressure fuel injector for Gasoline Direct Injection (GDI) engines. Experimental high-speed camera visualizations on transparent glass-nozzle replica of gasoline fuel injectors, have been used in combination with a novel in-house developed high-fidelity LES-VOF multiphase solver in OpenFOAM, to study the evolution of vortex flow and cavitation in GDI injection, as well as the extent primary jet atomization. The development of a single-fluid solver supporting phase-change and able to capture the evolution of three fluids, two of which are miscible into the sharp interface capturing Volume of Fluid (VOF) approximation, is presented. The transport of each phase-fraction is solved independently by a flux-corrected transport method to ensure the boundedness of the void fractions over the domain. The closure of the system of equations is achieved by a cavitation model that handles the phase change between the liquid and the fuel vapor, and it also accounts for the interaction with the non-condensable gases. Verification of the solver has been performed on two numerical benchmarks: a two-dimensional bubble rising in a liquid column and a cavitating/condensing liquid column. Afterwards, a first validation of the solver has been performed using a test case at low injection pressure (2.2 bar): numerical predictions from large-eddy simulations have been compared against experimental results available from literature for that operative pressure condition; in particular, validation against high-speed camera visualizations and Laser Doppler Velocimetry (LDV) measurements of cavitating in-nozzle flows in a fuel injector is reported. Finally, the solver has been validated on two configurations of a glass nozzle injector, provided by Continental Automotive SAS. They have been analyzed under a working pressure condition of 100 bar. Due to high pressure condition and reduced size of the nozzle orifice, only high-speed camera visualizations were available as experimental measurements. The simulated domain has been reconstructed from X-ray Computed Tomography (XCT) performed on the real nozzle replica. Both experiments and simulations capture the formation of unsteady vapor structures inside the nozzle volume. The first type, which is referred to as “shear-cavitation”, is found at the core of the recirculations zone and originates at the sharp corners at the nozzle entrance. This is also called geometry-induced cavitation. The second type, which is referred to as “string-cavitation”, is found at the core of high vorticity area along nozzle axis. It is shown that the numerical solver provides an accurate capture of the interface among the different phases within the nozzle hole and a very detailed description of the vortex generation in the injector nozzle; strings appear within the time scales that are relevant for a typical gasoline injection event and, for the specific case and operating condition studied, their generation seems mostly related to the flow pattern of the upstream region of the nozzle. Vorticity and surface dynamics have been then used to identify the main factors for the formation of the surface instabilities, that lead to the so called “primary atomization”. Predictions of the primary atomization of jets on real nozzle geometries have been finally validated against the experimental measurements of the spray angle.

Il presente lavoro si concentra sulla modellizzazione di iniettori per motori ad iniezione diretta di benzina, operanti ad alta pressione: flusso di combustibile, all’interno degli ugelli, e rottura primaria del getto sono studiati nella seguente modellizzazione 3D. Visualizzazioni sperimentali, ottenute con videocamere ad alta velocitá, su diverse geometrie di iniettori con ugelli trasparenti, sono state usate in combinazione con un nuovo solutore multifase basato su approaccio LES-VOF. Quest’ultimo e’ stato sviluppato all’interno di OpenFOAM con lo scopo di studiare l’evoluzione del flusso vorticoso e cavitante, cosí come la conseguente rottura primaria del getto di combustibile. Lo sviluppo del solutore multifase, basato su “modello ad un fluido”, capace di catturare separatamente l’evoluzione di combustibile liquido, combustibile vapore e aria, e che possa descrivere correttamente il cambiamento di fase del combustibile, é quindi descritto. Il trasporto di ogni frazione volumetrica é risolto quindi separatamente attraverso un metodo basato su correzione dei flussi, per assicurare che il criterio di limitatezza sia verificato su tutto il dominio. La chiusura del sistema di equazioni é ottenuta tramite un modello di cavitazione che gestisce il cambiamento di fase tra combustibile liquido e vapore, tenendo in considerazione l’interazione con l’aria (gas non condensabili). La verifica del solutore é stata realizzata attraverso due test numerici di riferimento: la risalita di una bolla 2D in una colonna di liquido, e una colonna 1D parzialmente cavitante. Succesivamente, una prima validazione del solutore é stata eseguita usando un caso di iniezione di acqua in aria a bassa pressione (2.2 bar): i risultati numerici della simulazione LES-VOF sono stati comparati con le misure sperimentali disponibili da letteratura per quella condizione operativa; in particolare, é riportata la validazione dei risultati numerici con immagini sperimentali, ottenute con videocamera ad alta velocitá, e con misure di velocitá, ottenute tramite anemometria laser doppler. In fine, il solutore é stato validato su due configurazioni di iniettore, con ugello trasparente, realizzate appositamente da Continental automotive. Le due geometrie sono state analizzate sotto condizioni operative di 100 bar. A causa delle elevate condizioni di pressione e delle dimensioni ridotte degli ugelli, le uniche misure sperimentali disponibili per la validazione dei risultati numerici sono state le immagini ottenute con videocamere ad alta velocitá. Il dominio simulato é stato ricostruito a partire dalla micro-tomografia computazionale a raggi x, applicata alle due geometrie di iniettore e alle sue diverse repliche. Sia gli esperimenti che le simulazioni hanno evidenziato la formazione di strutture di vapore instazionarie in seno al fluido, nel volume dell’ugello. Il primo tipo di struttura, chiamata "cavitazione da sforzo di taglio", si trova nella zona di distacco e nella zona di ricircolo che ne deriva, e si origina dagli spigoli acuti all’ingresso dell’ugello. Questo tipo di struttura é anche chiamata cavitazione indotta da geometria. Il secondo tipo di struttura, chiamata “cavitazione a stringa”, si trova al centro di una zona ad alta vorticitá lungo l’asse dell’ugello. É mostrato come il solutore sia in grado di garantire un accurata cattura dell’interfaccia tra le varie fasi, e una descrizione dettagliata della generazione di vorticitá all’interno dell’ugello; le stringhe appaiono con una frequenza rilevante che é tipica degli iniettori a benzina e, per i casi specifici e le condizioni operative studiate, la loro generazione sembra per di piú collegata agli schemi di flusso nella regione a monte dell’ugello. Vorticitá e dinamica della superifice del getto sono state poi utilizzate per identificare i principali fattori responsabili della formazione delle instabilitá all’interfaccia, che conducono alla cosiddetta ”rottura primaria” del getto. A completare l’analisi, i risultati numerici dell’atomizzazione primaria delle due configurazioni, sono stati validati con le misure sperimentali dell’angolo del getto tramite le immagine ottenute con la videocamera ad alta velocitá.