Advanced

Development of Transient Flamelet Library Based Combustion Models

Lehtiniemi, Harry LU (2013) In Lund Reports on Combustion Physics LRCP-166.
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Ämnet för föreliggande avhandling är utveckling av förbränningsmodell för modellering av turbulent icke förblandad förbränning i motorrelaterade tillämpningar. I cylindern i en dieselmotor sker förbränningen under påverkan av och i interaktion med det turbulenta flödesfältet. Det finns härvidlag ett flertal svårigheter för att uppnå acceptabel noggrannhet och acceptabla beräkningstider: modellering av turbulens, modellering av förbränning, modellering av värmeförluster, modellering av emissionsbildning, för att nämna några.



Specifikt för modellering av förbrännings- och emissionsbildning ligger svårigheterna i storleken av reaktionsscheman för realistiska bränslen och hur man... (More)
Popular Abstract in Swedish

Ämnet för föreliggande avhandling är utveckling av förbränningsmodell för modellering av turbulent icke förblandad förbränning i motorrelaterade tillämpningar. I cylindern i en dieselmotor sker förbränningen under påverkan av och i interaktion med det turbulenta flödesfältet. Det finns härvidlag ett flertal svårigheter för att uppnå acceptabel noggrannhet och acceptabla beräkningstider: modellering av turbulens, modellering av förbränning, modellering av värmeförluster, modellering av emissionsbildning, för att nämna några.



Specifikt för modellering av förbrännings- och emissionsbildning ligger svårigheterna i storleken av reaktionsscheman för realistiska bränslen och hur man modellerar turbulensens påverkan på förbränningsprocessen. Reaktionsscheman kan bestå av hundratalet till tusentalet kemiska ämnen, och tusentals reaktioner. Det är med dagens datorer svårt att uppnå acceptabla beräkningstider om man samtidigt modellerar turbulenseffekter och andra lokala effekter.



Utgångspunkten för behandligen av förbränningskemin i föreliggande avhandling är tagen från Amnéus et al. som undersökte hur antändningsprocessen kan parametriseras. De fann, att med kemisk entalpi som enda parameter kan hela antändningsprocessen parametriseras. Interaktionen mellan turbulens och kemi modelleras genom två närbesläktade modeller: a) flamelet-modellen, i vilken en turbulent flamma betraktas som en ensemble av flera laminära flammor; och b) “conditional moment closure” i vilken betingade medelvärden av de reaktiva skalärerna beräknas. Båda modellerna förlitar sig på att tillståndet i en cell (kontrollvolym i flödesfältet) kan beskrivas med hjälp av en fördelningsfunktion som antas ha en viss form, och som karakteriseras av den s.k. blandningsfraktionens (andel ursprunglig bränslemassa av total massa i kontrollvolymen) medel och varians.



För att tabellera antändningsprocessen utvidgades tabelleringsmetoder som tidigare utvecklats i arbetsgruppen samt programvara för såväl tabellering av transienta flamelets som kopplingen mellan tabeller och flödesekvationslösare.



Tre olika metoder baserade på flamelet-tabellering utvecklades inom ramen för arbetet: a) en transient-flamelet progressvariabelmetod; b) en metod som använder tabellerad kemi direkt under flameletlösaren; c) en metod för progressvariabelbaserad “conditional moment closure”. Den första och sista metoden tillåter att man betraktar lokala effekter.



Den första metoden fungerade för att bestämma responsen av ändring av insprutningstryck och dysans diameter på “lift-off” (avståndet från dysan till flamman). Det var möjligt att använda metoden i flödesdynamiska simuleringar av kompressionsantänd förbränning.



Den andra metoden användes för att undersöka huruvida det vore möjligt att tabellera antändningskemin under antagandet att antändningsprocessen fortskrider homogent utan turbulenspåverkan. Under arbetet drogs slutsatsen att ett sådant antagande leder till att tändfördröjningen inte kan predikteras korrekt.



Den tredje metoden möjliggör “conditional moment closure” med samma volym-diskretisering för både flödesberäkning och förbränningsberäkning. Detta är en förbättring gentemot konventionella “conditional moment closure”-metoder i vilka olika diskretisering av förbränningsrummet används för att beräkna flödet och för att beräkna förbränningskemin.



Den tredje metoden testades för beräkning av tändfördröjning och “lift-off” under ändrad syrehalt i en spraybomb, och modellen kunde uppvisa samma trender som experiment.



Förbättringar i mjukvara och i kopplingen mellan flamelet-tabeller och flödeslösaren överfördes till den flameletbaserade sotmodellen. Avsevärda förbättringar för prediktion av sotbildning i en för personbilar avsedd dieselmotor kunde uppvisas. (Less)
Abstract
Three different methods for Reynolds-averaged Navier-Stokes computational fluid dynamics modeling of non-premixed ignition

and combustion using tabulated chemistry have been developed. All methods make use of flamelet libraries, where the flamelet auto-ignition process is parameterized using a progress variable. The progress variable parameterization of the auto-ignition chemistry allows for using arbitrarily large chemical mechanisms, at constant computational cost; and for modeling of turbulence-chemistry interactions.



In the first method, a coordinate transform from time and space to a space described by mixture fraction and progress variable is made. The method was shown to be capable of predicting the... (More)
Three different methods for Reynolds-averaged Navier-Stokes computational fluid dynamics modeling of non-premixed ignition

and combustion using tabulated chemistry have been developed. All methods make use of flamelet libraries, where the flamelet auto-ignition process is parameterized using a progress variable. The progress variable parameterization of the auto-ignition chemistry allows for using arbitrarily large chemical mechanisms, at constant computational cost; and for modeling of turbulence-chemistry interactions.



In the first method, a coordinate transform from time and space to a space described by mixture fraction and progress variable is made. The method was shown to be capable of predicting the response of injection pressure and nozzle diameter on lift-off length. It was shown that it was possible to apply the method for use in computational fluid dynamics simulations of compression-ignited engine combustion.



In the second method, the transient flamelet libraries were directly used in an interactive flamelet setting. It was investigated if it was possible to generate tables by computing homogeneous adiabatic constant-pressure reactors instead of igniting flamelets. It was found that omitting the effect of scalar dissipation rate during the tabulation process leads to an error in prediction of ignition delay.



In the third method a simplified conditional moment closure approach was developed. By using tabulated chemistry, and by

making the conditional moment closure for the progress variable only, it was possible to use the same computational grid as used by the flow solver for the spatial transport of the conditionally averaged scalars. This method was tested for a simple auto-igniting spray configuration and it was found that it was able of capturing the response on ignition delay and lift-off length due to changed ambient oxygen level.



Software technical improvements from the transient flamelet library based approaches were carried over to the stationary flamelet library based soot source term model, and further model updates yielded a model capable of predicting soot emissions for a light-duty diesel engine. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Vervisch, Luc, CNRS-CORIA-INSA & Université de Rouen, France
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
auto-ignition, conditional moment closure, Tabulated chemistry, flamelet, spray, non-premixed combustion, Fysicumarkivet A:2012:Lehtiniemi
in
Lund Reports on Combustion Physics
volume
LRCP-166
pages
44 pages
publisher
Division of Combustion Physics, Department of Physics, Lund University
defense location
Lecture hall Rydbergssalen, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund University Faculty of Engineering
defense date
2013-06-14 10:15
external identifiers
  • other:ISRN LUTFD2/TCFP-166-SE
ISSN
1102-8718
ISBN
978-91-7473-507-9
language
English
LU publication?
yes
id
089f743d-cd52-47c9-aafd-97ad73b487c3 (old id 3787653)
date added to LUP
2013-05-23 11:26:53
date last changed
2018-05-29 10:33:43
@phdthesis{089f743d-cd52-47c9-aafd-97ad73b487c3,
  abstract     = {Three different methods for Reynolds-averaged Navier-Stokes computational fluid dynamics modeling of non-premixed ignition<br/><br>
and combustion using tabulated chemistry have been developed. All methods make use of flamelet libraries, where the flamelet auto-ignition process is parameterized using a progress variable. The progress variable parameterization of the auto-ignition chemistry allows for using arbitrarily large chemical mechanisms, at constant computational cost; and for modeling of turbulence-chemistry interactions.<br/><br>
<br/><br>
In the first method, a coordinate transform from time and space to a space described by mixture fraction and progress variable is made. The method was shown to be capable of predicting the response of injection pressure and nozzle diameter on lift-off length. It was shown that it was possible to apply the method for use in computational fluid dynamics simulations of compression-ignited engine combustion.<br/><br>
<br/><br>
In the second method, the transient flamelet libraries were directly used in an interactive flamelet setting. It was investigated if it was possible to generate tables by computing homogeneous adiabatic constant-pressure reactors instead of igniting flamelets. It was found that omitting the effect of scalar dissipation rate during the tabulation process leads to an error in prediction of ignition delay.<br/><br>
<br/><br>
In the third method a simplified conditional moment closure approach was developed. By using tabulated chemistry, and by<br/><br>
making the conditional moment closure for the progress variable only, it was possible to use the same computational grid as used by the flow solver for the spatial transport of the conditionally averaged scalars. This method was tested for a simple auto-igniting spray configuration and it was found that it was able of capturing the response on ignition delay and lift-off length due to changed ambient oxygen level.<br/><br>
<br/><br>
Software technical improvements from the transient flamelet library based approaches were carried over to the stationary flamelet library based soot source term model, and further model updates yielded a model capable of predicting soot emissions for a light-duty diesel engine.},
  author       = {Lehtiniemi, Harry},
  isbn         = {978-91-7473-507-9},
  issn         = {1102-8718},
  keyword      = {auto-ignition,conditional moment closure,Tabulated chemistry,flamelet,spray,non-premixed combustion,Fysicumarkivet A:2012:Lehtiniemi},
  language     = {eng},
  pages        = {44},
  publisher    = {Division of Combustion Physics, Department of Physics, Lund University},
  school       = {Lund University},
  series       = {Lund Reports on Combustion Physics},
  title        = {Development of Transient Flamelet Library Based Combustion Models},
  volume       = {LRCP-166},
  year         = {2013},
}