Large Eddy Simulationによるディーゼル噴霧燃焼の解析

本研究はディーゼル燃焼の予測精度を改善するため燃料噴霧(ディーゼル噴霧)の予測改善に着目し,従来の平均化に基づくRANS(Reynolds Averaged Navier Stokes)に代わる手法としてLES(Large Eddy Simulation)による噴霧解析手法を提案している.噴霧計算には内燃機関解析コードとして有名なKIVA(KIVA 3V res.2)コードにLESを導入したKIVALESを用いる.平成19年度には,計算格子幅,CIP法による移流解析手法の改善,噴霧モデルの最適化により,燃焼反応が生じない条件における噴霧形成過程のLES解析手法を構築した.平成20年度には燃焼場へ拡張するため,LES燃焼モデルとして定評のあるFlameletモデルを導入した.まず,KIVALESに対して混合分率の輸送方程式Z,ならびにZの分散の輸送方程式を新たに組み込んだ.燃料噴霧解析では着火遅れ,予混合的燃焼,拡散的燃焼と遷移するため,Shellモデルを用いて着火遅れ期間を計算し,1000Kを超過した時にFlameletモデルによって予混合的燃焼および拡散的燃焼を計算した.本研究ではFlameletモデルとして特性時間スケールを導入したFlamelet Time Scale(FTS)モデルを使用した.計算結果より,FTSモデルを用いることで予混合的燃焼の熱発生率が制御されて計算の発散を抑えることができた.噴霧の三次元構造に着眼すると,着火後における予混合的燃焼による膨張過程,拡散的燃焼時の噴霧発達過程において,実験同様の乱流渦に起因した非定常な噴霧発達過程を予測することができた.現在,ディーゼル機関には燃料消費率の向上や窒素酸化物や微粒子状物質の低減が求められており,それを果たすためにLESによる設計支援が注目されている.エンジン筒内流動を対象としたLES解析は行われているが,噴霧解析はその複雑さから実施例は少なく,ディーゼル噴霧に対する有用性を示した研究例はない.本研究によって,LES解析の工学的有効性が確かめられたことより,ディーゼルエンジンを対象としたLES解析の研究が進み,更なる高効率,低エミッションのエンジン開発が期待される.

本研究はディーゼル燃焼の予測精度を改善するため燃料噴霧(ディーゼル噴霧)の予測改善に着目し,従来の平均化に基づくRANS(Reynolds Averaged Navier Stokes)に代わる手法としてLES(Large Eddy Simulation)による噴霧解析手法を提案している.噴霧計算には内燃機関解析コードとして有名なKIVA(KIVA 3V res.2)コードにLESを導入したKIVALESを用いる.平成19年度には,計算格子幅,CIP法による移流解析手法の改善,噴霧モデルの最適化により,燃焼反応が生じない条件における噴霧形成過程のLES解析手法を構築した.平成20年度には燃焼場へ拡張するため,LES燃焼モデルとして定評のあるFlameletモデルを導入した.まず,KIVALESに対して混合分率の輸送方程式Z,ならびにZの分散の輸送方程式を新たに組み込んだ.燃料噴霧解析では着火遅れ,予混合的燃焼,拡散的燃焼と遷移するため,Shellモデルを用いて着火遅れ期間を計算し,1000Kを超過した時にFlameletモデルによって予混合的燃焼および拡散的燃焼を計算した.本研究ではFlameletモデルとして特性時間スケールを導入したFlamelet Time Scale(FTS)モデルを使用した.計算結果より,FTSモデルを用いることで予混合的燃焼の熱発生率が制御されて計算の発散を抑えることができた.噴霧の三次元構造に着眼すると,着火後における予混合的燃焼による膨張過程,拡散的燃焼時の噴霧発達過程において,実験同様の乱流渦に起因した非定常な噴霧発達過程を予測することができた.現在,ディーゼル機関には燃料消費率の向上や窒素酸化物や微粒子状物質の低減が求められており,それを果たすためにLESによる設計支援が注目されている.エンジン筒内流動を対象としたLES解析は行われているが,噴霧解析はその複雑さから実施例は少なく,ディーゼル噴霧に対する有用性を示した研究例はない.本研究によって,LES解析の工学的有効性が確かめられたことより,ディーゼルエンジンを対象としたLES解析の研究が進み,更なる高効率,低エミッションのエンジン開発が期待される.