Multi-dimensional numerical modeling of combustion in compression-ignition engines using tabulated kinetics and turbulence-chemistry interaction

The fundamental goal of the compression ignition engine development is to continuously reduce fuel consumption and meet the progressively tighter emission legislations, which requires an optimal combination of the combustion chamber design, compression ratio, fuel reactivity, and injection strategy. To identify the most promising configurations and speed up the engine development process, the predictive CFD tools are needed to gain more insight into multi-physics phenomenon of combustion and carry out investigations that would prove to be experimentally laborious and expensive. In this context, this thesis is dedicated to the development and application of a high-fidelity, robust, and fast CFD code for Diesel combustion modeling. In particular, the tabulated flamelet progress variable (TFPV) approach, which can incorporate detailed chemistry and turbulence-chemistry interaction with an affordable cost, has been comprehensively discussed: from its fundamental theory (the flamelet models), implementation in the Lib-ICE code, comprehensive validation in turbulent spray flames and practical Diesel engine, to its application in studying the combustion characteristics of Diesel sprays and exploring the gasoline compression ignition (GCI) concept. The validation of the TFPV model was conducted in two parts, from the ECN Spray A configuration to the heavy-duty Diesel applications. In the first part, the TFPV approach was first assessed in modeling n-dodecane Spray A with multiple injections and compared with the representative interactive flamelet (RIF) model, being the state of the art in Diesel combustion modeling. The TFPV approach could give a better description of the flame stabilization process and ignition event of the second injection due to the use of progress variable and the consideration of local values of stoichiometric scalar dissipation rate. The soot model was calibrated, and different constants were used for RIF and TFPV models to have a good match with experimental data. In particular, the pre-exponential factor of the surface growth step was three times higher in the TFPV case due to the less presence of soot precursor (C2H2). Besides, the k-ω SST model was successfully applied in both non-reacting and reacting sprays with single and double injections. It showed similar accuracy as the k-ε model, demonstrating the possibility to utilize its benefits in describing the flame-wall interaction in practical Diesel engines. Second, the TFPV approach was extended to take into account the multi-component fuels. It was investigated and validated by simulating Diesel sprays with primary reference fuels -- binary mixtures of n-heptane and iso-octane. Two kinetic models from POLIMI and LLNL were evaluated and compared following the operation steps of the TFPV model considering different fuels, ambient temperatures, and oxygen concentrations. The subtle difference between the two kinetic models were well captured and preserved in each step of the TFPV model. The comparison between measured and computed ignition delay and lift-off length suggested that both kinetic models can be applied in practical engine simulations. In the second part, the TFPV approach was first validated by simulating turbulent Diesel sprays from Spray A, Spray C, and Spray D, representing the change from light-duty to heavy-duty Diesel injectors in terms of nozzle diameters. The spatial coordinates were normalized with the effective diameters, where the same equivalence ratio was observed for different injectors at a certain location. In such coordinates, a smaller injector showed a faster penetration and a higher stoichiometric scalar dissipation rate in the near nozzle region, with a consequent reduction of ignition delay and an increase of lift-off length in the reacting spray simulations. The parametric variations of ambient temperature were later considered for the three injectors to comprehensively assess and validate the TFPV model. The trends of ignition delay and lift-off length with nozzle diameter were correctly captured by the TFPV model, while the computed ignition delays were less sensitive to the ambient temperature compared to the measured ones. Such discrepancy was overcome by extending the TFPV model, being also referred as "TFPV-HR" where the TFPV table is generated using tabulated kinetics based on homogeneous reactor assumption, to the "TFPV-DI" approach that directly integrates the ODE equations in unsteady diffusion flamelet calculations. Second, the TFPV approach was assessed and validated in practical heavy-duty Diesel engine simulations considering a wide range of operating maps. Two sets of grids were compared and tested for different relevant operating points to identify the most suitable mesh. Afterward, simulations were carried out in a heavy-duty engine for 20 operating conditions, allowing an extensive validation of the TFPV model, as well as the tabulated NOx model. Very encouraging results were achieved in terms of pressure, apparent heat release rate and NOx emissions over all these 20 points, proving the accuracy and validity of using the TFPV approach in engine design and development. The TFPV model was applied in exploring the GCI engine concept after the comprehensive validation. The temporal and spatial features of flame structure and soot formation for different PRFs were first investigated with so-called intensity-axial distance-time (IXT) plots. Then, ten PRFs, from RRF0 to PRF90 with 10% increment in isooctane mass fraction, were investigated and compared in a heavy-duty Diesel engine operating at the conventional high-temperature, short-ignition delay (HTSID) condition. The injection timing was altered from -5 to -13 CAD ATDC to optimize the combustion phase and engine performance for different fuels. The results showed that PRF70 exhibited the best performance at the tested condition, which reduced the soot mass to 5% of the baseline value without sacrificing fuel efficiency.

L'obiettivo fondamentale legato allo sviluppo del motore ad accensione spontanea consiste nella continua riduzione del consumo di carburante e nel soddisfare le sempre più stringenti normative sulle emissioni di inquinanti. Ciò richiede una combinazione ottimale di attività quali design della camera di combustione e definizione del corretto rapporto di compressione con la reattività del carburante e la scelta della strategia di iniezione. Per identificare le configurazioni più promettenti e accelerare il processo di sviluppo del motore strumenti predittivi come la CFD sono fondamentali per ottenere maggiori informazioni sulla combustione, che è un caratterizzata da molteplici fenomeni fisici, e per eseguire indagini di dettaglio che altrimenti si rivelerebbero complesse e costose se affrontate da un punto di vista sperimentale. In questo contesto, il lavoro di tesi proposto è dedicato allo sviluppo e all'applicazione di un’accurata, robusta e veloce metodologia CFD per la modellazione della combustione Diesel. In particolare, è stato discusso in dettaglio un approccio di tipo Tabulated Flamelet Progress Variable (TFPV) che può incorporare una riproduzione dettagliata della chimica e della sua interazione con la turbolenza a un costo di calcolo accessibile. Gli aspetti trattati vanno dalla teoria fondamentale (i modelli flamelet) con implementazione nel codice Lib-ICE e validazione completa dell’approccio su fiamme spray di carattere turbolento e in motori Diesel fino alla sua applicazione allo studio delle caratteristiche di combustione degli spray Diesel e all’esplorazione del concetto di accensione a compressione applicato a motori a benzina (GCI). La validazione del modello TFPV è stata condotta in due fasi, la prima riguardante la configurazione ECN Spray A e la seconda focalizzata alle applicazioni Diesel di carattere industriale. Con riferimento alla prima attività, l'approccio TFPV è stato inizialmente testato per quanto concerne la modellazione dello Spray A ad iniezioni multiple di n-Dodecano e comparato con il modello Representative Interactive Flamelet (RIF) che rappresenta attualmente lo stato dell'arte nella modellazione della combustione diesel. L'approccio TFPV può fornire una migliore descrizione del processo di stabilizzazione della fiamma e dell'accensione associata alla seconda iniezione grazie all’utilizzo di una variabile di avanzamento e alla considerazione di valori locali relativi al tasso di dissipazione scalare stechiometrico. Il modello per la previsione di particolato è stato calibrato e diverse costanti sono state utilizzate nei modelli RIF e TFPV per ottenere una buona corrispondenza con i dati sperimentali. In particolare, il fattore pre-esponenziale della fase di crescita superficiale è risultato essere tre volte superiore nel caso TFPV per via di una minore presenza del precursore di particolato (C2H2). Inoltre, il modello di turbolenza k-ω SST è stato applicato con successo sia in spray non reagenti che reagenti e con iniezioni singole e doppie, mostrando un’accuratezza simile a quella del modello k-ε e dimostrando dei vantaggi nella descrizione dell’interazione fiamma-parete in motori Diesel. Successivamente, l'approccio TFPV è stato esteso per poter trattare combustibili multicomponente proponendo investigazioni e validazioni basate sulla simulazione di spray Diesel con combustibili di riferimento primari quali miscele binarie di n-Eptano e Iso-ottano. Due modelli cinetici proposti da POLIMI e LLNL sono stati analizzati e confrontati in riferimento all’approccio TFPV considerando differenti tipologie di combustibile, valori di temperatura ambiente e concentrazioni di ossigeno. La lieve differenza tra i due modelli cinetici è stata ben riprodotta e conservata in ogni fase del modello TFPV. Il confronto tra il ritardo di accensione misurato sperimentalmente e quello calcolato e la lunghezza di lift-off ha evidenziato che entrambi i modelli cinetici possono essere applicati in simulazioni motoristiche. Nella seconda parte, l'approccio TFPV è stato per prima cosa validato simulando spray Diesel turbolenti quali Spray A, Spray C e Spray D, riproducendo l’evoluzione da condizioni light-duty a heavy-duty dagli iniettori Diesel in termini di diametri dei fori. Le coordinate spaziali sono state normalizzate con i valori dei diametri effettivi dove si è osservato lo stesso rapporto di equivalenza per diversi iniettori in una specifica posizione. Sotto tali coordinate un iniettore più piccolo ha mostrato una penetrazione più rapida e un maggiore tasso di dissipazione scalare stechiometrico in prossimità dell’ugello, con una conseguente riduzione del ritardo di accensione e un aumento della lunghezza di lift-off per quanto riguarda simulazioni spray reagenti. Le variazioni parametriche della temperatura ambiente sono state successivamente prese in considerazione per tre iniettori con lo scopo di fornire un’investigazione completa e una validazione del modello TFPV. L’approccio ha permesso di riprodurre correttamente i trend di ritardo di accensione e lunghezza di lift-off in funzione del diametro del foro di iniezione. I ritardi di accessione calcolati si sono rivelati meno sensibili al valore di temperatura ambiente rispetto a quelli sperimentali. Questa discrepanza è stata rimossa estendendo il modello TFPV, chiamato anche "TFPV-HR" e con il quale la tabella TFPV viene generata utilizzando una cinetica tabulata basata su un’ipotesi di reattore omogeneo, a un approccio denominato "TFPV-DI" che integra direttamente le equazioni ODE nei calcoli di diffusione instazionaria della flamelet. In secondo luogo, l'approccio TFPV è stato investigato e convalidato con simulazioni di motori Diesel heavy-duty considerando un'ampia gamma di condizioni operative. Due set di griglie di calcolo sono stati confrontati e testati su diversi punti operativi rilevanti con l’obiettivo di identificare la mesh più adatta. Successivamente, sono state effettuate simulazioni di 20 punti operativi relativi a un motore heavy-duty che hanno permesso un’estensiva validazione sia dell’approccio TFPV sia del modello tabulato per gli NOx. Risultati molto incoraggianti sono stati ottenuti in termini di pressione, tasso di rilascio di calore apparente ed emissioni di NOx su tutti i 20 punti testati, dimostrando come l’approccio TFPV possa essere ritenuto accurato e valido per attività di progettazione e sviluppo in ambito motoristico. Successivamente alle precedenti validazioni il modello TFPV è stato poi applicato nell'investigazione relativa al concetto di motore GCI. Inizialmente, le caratteristiche temporali e spaziali della struttura di fiamma e della formazione di particolato sono state studiate per diversi PRF mediante i cosiddetti grafici intensità-distanza assiale-tempo (IXT). Successivamente dieci valori di PRF, da RRF0 a PRF90 con incremento del 10% nella frazione massica di Iso-ottano, sono stati studiati e confrontati in un motore Diesel heavy-duty funzionante alla tradizionale condizione operativa caratterizzata da alta temperatura e piccolo ritardo di accensione (HTSID). La fasatura di iniezione è stata modificata da -5 a -13 CAD ATDC per ottimizzare la combustione e le prestazioni del motore con diversi combustibili. I risultati hanno dimostrato che il setup con PRF70 ha fornito le migliori prestazioni in riferimento al punto operativo testato, con una diminuzione in massa di particolato del 5% rispetto al valore di riferimento senza sacrificare l’efficienza nei consumi.