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Large Eddy Simulationによるディーゼル噴霧燃焼の解析

使用大涡模拟分析柴油喷雾燃烧

基本信息

批准号：
07J04599
负责人：
堀司
金额：
$ 1.15万
依托单位：
Doshisha University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2007
资助国家：
日本
起止时间：
2007 至 2008
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-07J04599/
关键词：
Large Eddy Simulation Flamelet model CIP KIVA Spray Engine ディーゼル噴霧乱流構造知的可視化

项目摘要

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.

In this study, we propose a new method for improving the prediction accuracy of fuel spray, based on the averaging of RANS(Reynolds Averaged Navier Stokes) and LES(Large Eddy Simulation). Spray calculation is based on the analysis of internal combustion engines. The name KIVA(KIVA 3V res.2) is used to introduce KIVALES. In 2019, calculation of lattice width, improvement of CIP method for flow analysis, optimization of spray pattern, construction of LES analysis method for spray formation process under combustion reaction conditions were carried out. In 2010, the combustion field was expanded,LES combustion was evaluated, and Flamelet was introduced. The transport equation Z for the mixing fraction of KIVALES and the transport equation Z for the dispersion of KIVALES are newly formulated. Fuel spray analysis is to calculate the duration of ignition and combustion before mixing, and to calculate the duration of combustion before mixing and combustion before dispersing when the temperature exceeds 1000K. In this study, Flamelet Time Scale(FTS) was introduced. The calculation results show that the heat generation rate of mixed combustion is controlled by FTS. The three-dimensional structure of the spray focuses on the expansion process of the premixed combustion after ignition, the spray arrival process during the dispersed combustion, and the prediction of the unsteady spray arrival process due to the same turbulent vortices. Now, the fuel consumption rate of the engine is increasing, and the acid and particulate matter are decreasing. An example of the usefulness of LES analysis for the flow in a cylinder is given. This study aims to improve the engineering effectiveness of LES analysis, and to improve the efficiency and efficiency of LES analysis.