Schlüsselwörter
(Englisch)
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Internal combustion engines, heat transfer, transient boundary layer, Large Eddy Simulation (LES), natural gas
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The follow-up project aims at studying the validity and applying the LES models examined in the ongoing project „Wall heat transfer in natural gas Otto engines“ to a range of realistic engine speeds and loads. In order to examine the universality of the findings, and generate data for validation, detailed optical measurements will be performed inside the cylinder at TU Darmstadt at full load and up to 2,500 rpm. The validated LES will in turn enable the study of different regions in the combustion chamber, which are important for wall heat transfer.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Der Wandwärmeübergang im Verbrennungsmotor hat einen grossen Einfluss auf den Wirkungsgrad, Emissionen und Lebensdauer von Motorkomponenten. Verbesserte Wandwärmeübergangsmodelle sind deshalb essenziell für prädiktive Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulationsverfahren, anhand welcher die nächste Motorgeneration weiterentwickelt werden kann.
In diesem Projekt gelangten multiparameter laserdiagnostische Verfahren am Labor für reaktive Strömungen und Messtechnik (RSM) der TU Darmstadt zur Anwendung, in Kombination mit hochgenauen, wandaufgelösten Large Eddy Simulationen (WRLES) sowie wandmodellierten Large Eddy Simulationen (WMLES, welche in der Motorentwicklung üblicherweise im Einsatz sind). Alle Simulationen wurden am Laboratorium für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme an der ETH Zürich durchgeführt. Die experimentellen und numerischen Verfahren ergänzen sich dabei hervorragend: Das Experiment liefert grosse Datenmengen über hunderte von Motorzyklen bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen, wenngleich bei tieferer räumlicher und zeitlicher Auflösung, nur für einen kleinen Bereich des Brennraums und nicht für sämtliche thermochemischen Zustände. Die Simulationen kann hingegen die komplette Evolution aller Variablen vollaufgelöst darstellen, jedoch nur für wenige Zyklen und mit Limitierungen hinsichtlich der Betriebsbedingungen.
Basierend auf Erkenntnissen aus dem erfolgreich abgeschlossenen Vorläuferprojekt [1, 2] wurde das kombinierte Verfahren weiter entwickelt. Neue Prozessrechnungen mit GT-Power ermöglichten es, Randbedingungen für die wandmodellierte LES zu generieren. Die wandmodellierten Simulationsdaten wurden anschliessend anhand der experimentellen Daten validiert für ungedrosselten Betrieb bei 800 Umdrehungen sowie bei mittleren Drehzahlen (1,500 U/min). Im Laufe des Projekts wurden höher-aufgelöste experimentelle Daten bei 2,500 U/min verfügbar, womit eine Validierung auch bei dieser motorisch deutlich relevanteren Drehzahl erfolgen konnte. Die wandmodellierten Simulationen wurden bei feineren Auflösungen von 0.75 mm durchgeführt und das im Vorgängerprojekt entwickelte Verfahren wurde angewandt, um Anfangsbedingungen zu generieren für die wandaufgelöste LES. Der Rechen-aufwand für die wandaufgelöste LES – bei der höheren Drehzahl und ungedrosselt – entspricht etwa demjenigen der DNS im Vorläuferprojekt bei 800 U/min und gedrosseltem Betrieb.
Anhand der wandaufgelösten Simulationsdaten konnte überprüft werden, ob sich die Aussagen aus dem Vorgängerprojekt bzgl. Struktur der Wandgrenzschichten im Motor generalisieren lassen. Es zeigte sich, dass die Grenzschichten bei den höheren Drehzahlen und ungedrosselt stärker entwickelt sind als bei den tieferen Drehzahlen im gedrosseltem Betrieb, womit sie, im Mittel, idealen Wandmodellen deutlich näherkommen. Nichtsdestotrotz zeigen die wandnahen Geschwindigkeits- und Temperaturprofile dennoch Abweichungen gegenüber idealen Wandgrenzschichten und zwar in Funktion von Zeit, Ort und Betriebsbedingung, weshalb verbesserte Wandmodelle unumgänglich sind. Das im Vorläuferprojekt entwickelte algebraische Modell [3] sowie ein verbreitetes, bereits verfügbares Modell [4] wurden anschliessend anhand der "alten" DNS Daten sowie den "neuen" wandaufgelösten Daten getestet, mit guter globaler Vorhersagefähigkeit. Das algebraische Modell zeigte dabei ein besonders konsistentes Verhalten bei Variation der Betriebsbedingungen, zu unterschiedlichen Zeitpunkten und an verschiedenen Orten im Brennraum. Für den geschleppten Betrieb kann dem Modell gute prädiktive Fähigkeiten attestiert werden; auch bei Bedingungen, anhand welcher das Modell nicht entwickelt bzw. kalibriert wurde. Das algebraische Modell zeigte auch im reaktiven Betrieb qualitativ ein viel-versprechendes Ver-halten, wenngleich keine Daten für eine quantitative Validierung zur Verfügung standen.
Zukünftige Vorhaben sollten deshalb verstärkt auf reaktive Bedingungen ausgerichtet sein, um Wandwärmeübergangsmodelle ausgiebig testen bzw. weiterentwickeln zu können. Dies trifft im besonderen Masse auf zukünftige synthetische Kraftstoffe zu, welche höhere (H2) bzw. tiefere (NH3) Reaktivität auf-weisen, die sich auf die Flammenstruktur in Wandnähe, den Löschabstand und damit auch auf den Wandwärmeübergang auswirkt.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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Wall heat transfer in internal combustion (IC) engines strongly affects engine efficiency, pollutant emis-sions and component durability. Improved modelling capabilities offer the basis for predictive computa-tional fluid dynamics (CFD) tools essential to the design of next-generation IC engines. For this purpose, advanced multi-parameter laser diagnostics at the Institute for Reactive Flows and Diagnostics (RSM) at TU Darmstadt (TUD) were used conjointly with high-fidelity wall-resolved large eddy simulations (WRLES) and engineering-scale wall-modelled large eddy simulations (WMLES) at the Aerothermochemistry and Combustion Systems laboratory (LAV) of ETH Zurich. The experimental and computational techniques complement each other: the experiments provide large amounts of data for hundreds of cycles and at different conditions, albeit at lower spatial and temporal resolution, and only for part of the domain and thermo-chemical state, while computations can provide the complete evolution of the system state, but for a small number of cycles and limited conditions. In this project, an extended workflow based on the one developed in the previous project [1, 2] was established. New GT-Power process simulation models are developed, to generate data for the subsequent WMLES which is validated against existing experimental datasets at unthrottled conditions at low (800 RPM) and inter-mediate engine speed (1,500 RPM). With the advent of the new, optical experimental data at the highest engine speed of 2,500 RPM, the numerical platform is further validated at these industrially relevant conditions. Multi-cycle WMLES simulations for the new operating condition are carried out using a finer resolution (0.75 mm), and the previously established workflow is used to pursue a wall-resolved large eddy simulation (WRLES) using computational resources corresponding to the direct numerical simula-tions (DNS) of the previous project.
The high-fidelity WRLES data was generated with a spectral element solver and used to investigate the universality of the observations and modelling approaches established during the previous project [1]. The present WRLES simulation at high engine speed and load displays boundary layers that appear more developed than in the previous, low RPM condition. On average, wall laws following ideal trends are better suited to the new, high Reynolds number condition. However, the mean near-wall flow and temperature scaling still deviate from ideal trends as a function of time, space, and operating condition, signifying the need for more developed models. An established model [4] and an algebraic model de-veloped during the previous project [3] were benchmarked in both the previous and new operating con-ditions, yielding good global correspondence. The performance of the algebraic model was particularly consistent between OPs, at different time instances and over different in-cylinder regions. This is a remarkable result as the model was generated using previous DNS data only at specific engine condi-tions and components. Hence, in the motored case, the results suggest good model applicability in conditions that deviate considerably from model training conditions. In the fired case, the algebraic model also shows promising qualitative behaviour, although no quantitative reference is available for comparison.
Further work is required in fired conditions to validate heat transfer models. This is particularly important in view of future fuels with considerably higher (H2) or lower (NH3) reactivity, affecting the flame structure, quenching distance and thereby also the wall heat transfer.
Zugehörige Dokumente
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