CFD modelling of turbulent premixed combustion in spark-ignition engines

The present work focuses on the development of computational tools to model turbulent premixed combustion for spark-ignition engine applications in the context of RANS simulations. The model covers all the stages of combustion process, starting from early flame kernel development to its fully developed phase. After a brief general introduction to the problem, through asymptotic theory, the behaviour of laminar flames is analyzed to underline its fundamental physical properties. This is considered a basic step to understand the more complex behaviour of turbulent flames, which, otherwise, would be very difficult to be interpreted. Afterwards, three of the most employed models in literature (Flame Surface Density, Flame Speed Closure and G-Equation approach) to simulate turbulent premixed flames are described and compared. At the conclusion of this analysis, the G-Equation model is selected for the further developments which led to implement a new solver. This exploits a Lagrangian approach to describe the initial stages of flame development; then it shifts to a more canonical Eulerian approach, when the advanced phase of combustion is described. Afterwards, to check its predictive capabilities, the model is tested against the experimental data provided by a laboratory engine with optical access. All the models used in this work were implemented within the OpenFOAM framework, as a contribution to the library “Lib-ICE”, developed by the Internal Combustion Engine group of the Energy Department of Politecnico di Milano.

Questo lavoro tratta lo sviluppo di alcuni strumenti computazionali per la modellazione del processo di combustione in un motore ad accensione comandata nel contesto delle simulazioni RANS. Il modello copre tutte le fase del processo di combustione: dalla formazione iniziale della fiamma al suo completo sviluppo. Dopo una breve introduzione al problema, attraverso la teoria asintotica, viene analizzato il comportamento delle fiamme laminari per delinearne gli aspetti fisici di base. Questi sono considerati un tassello fondamentale per comprendere il più complesso comportamento delle fiamme turbolente, che, altrimenti, sarebbe difficilmente interpretabile. Successivamente vengono descritti e confrontati tre modelli (Flame Surface Density, Flame Speed Closure e G-Equation approach), tra i più utilizzati in letteratura per la simulazione della combustione delle fiamme premiscelate in un flusso turbolento. A conclusione di questa comparazione, il modello G-Equation viene selezionato per gli ulteriori sviluppi che hanno portato alla implementazione di un nuovo solutore. Questo sfrutta una approccio di tipo Lagrangiano per descrivere le fasi iniziali di sviluppo della fiamma, per poi passare ad un più classico metodo di tipo Euleriano per la descrizione delle fasi avanzate della combustione. Successivamente, per testarne le capacità predittive, il modello proposto viene sottoposto ad una prima verifica tramite dati sperimentali ottenuti con un motore da laboratorio con accesso ottico. Tutti i modelli utilizzati sono stati implementati nel codice open-source OpenFOAM, come contributo alla libreria Lib-ICE, sviluppata dal gruppo di Motori a Combustione Interna del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano.