A numerical investigation on the impact of turbulence and combustion modeling in predicting mixing-controlled Diesel combustion

In the present work, extensive investigations have been performed, via numerical simulations, to understand the combined impact of turbulence and combustion modeling in the description of mixing-controlled Diesel combustion, with a split-injection strategy. Turbulence models investigated were the standard k-e closure and its RNG variant, while the combustion models were the Representative Interactive Flamelet (RIF) model and the Well-Mixed model with tabulation of chemical kinetics (TWM). Their performances were investigated under multiple operating conditions, assessing the sensitivity of the models to injection timing and spray structure. Moreover, the sensitivity of the RIF model to the number of flamelet domains used for the main injection event was assessed. Validation is performed through the small-bore optical diesel engine of Sandia National Laboratories, for which a wide and well-documented experimental database is available. Both turbulence and combustion models showed satisfactory results in terms of overall combustion dynamics in case of early and intermediate injection timing, while the RIF model shower poor performances with late injection. Moreover, only the TWM model was capable of describing flame development and stabilization during main injection event, even though it experienced misfire issues in pilot combustion due to inhibition of reaction rate in fuel-rich regions. The standard k-e model showed negligible sensitivity to both injection timing and spray spreading angle, proving its poor performances in describing shear flows. The overall best results were obtained with the combination of RNG k-e and RIF models, with a spray spreading angle of 10°. Moreover, the RIF model was not capable to reproduce flame stabilization even with multiple flamelet domains, due to the really short ignition delay in main combustion. Simulations have been performed with OpenFOAM, an open-source software for multidimensional CFD simulations, and Lib-ICE, a library of models and solvers for internal combustion engine (ICE) simulations, developed by the ICE Group of Politecnico di Milano.

Nel presente lavoro di tesi, si è svolta un’ampia indagine sull'impatto che hanno la modellazione della turbolenza e della combustione, sulla capacità di descrivere il processo di combustione in motori Diesel, in un contesto “mixing-controlled” e con iniezioni sequenziali. I modelli di turbolenza studiati sono il k-e standard e la sua variante RNG, mentre quelli di combustione sono il Representative Interactive Flamelet (RIF) ed il Well-Mixed con tabulazione della cinetica di reazione (TWM). Si sono studiate le loro sensitività rispetto alle tempistiche di iniezione e alla struttura dello spray. Inoltre, si è studiata la sensitività del modello RIF rispetto al numero di flamelet utilizzate per descrivere la combustione principale. La validazione è stata svolta tramite il motore ottico di piccola cilindrata dei Sandia National Laboratories, per il quale è disponibile un vasto database di misurazioni sperimentali. Entrambi i modelli di turbolenza e combustione si son dimostrati capaci di riprodurre in maniera soddisfacente il processo di combustione, sebbene il modello RIF abbia mostrato prestazioni carenti in caso di iniezione ritardata. Inoltre, solamente il modello TWM è stato capace di descrivere il processo di propagazione e stabilizzazione della fiamma, sebbene abbia riscontrato problematiche durante la combustione pilota, a causa dell'inibizione del progredire delle reazioni nelle zone di miscela ricca. Il modello standard k-e ha mostrato bassa sensitività rispetto alla tempistica di iniezione e all'angolo di apertura dello spray, provando le sue basse prestazioni nel descrivere flussi di taglio. I migliori risultati sono stati ottenuti utilizzando assieme i modelli RNG k-e e RIF, con un angolo di apertura dello spray di 10°. Inoltre, il modello RIF non è stato capace di riprodurre la stabilizzazione della fiamma nemmeno con flamelet multiple, a causa del basso tempo di accensione della fiamma principale. Le simulazioni sono state svolte tramite OpenFOAM, un programma open-source di simulazione CFD, e Lib-ICE, una libreria di modelli e solutori per la simulazione di motori a combustione interna, sviluppata dal ICE Group del Politecnico di Milano.