Numerical investigation of turbulent spray combustion with conditional moment closure

Focus of this study is the numerical simulation of turbulent auto-igniting liquid fuel sprays at Diesel engine relevant conditions. A state-of-the-art combustion model based on Conditional Moment Closure (CMC) has been interfaced with a broadly established three-dimensional flow field solver and the performance and validity of this methodology is tested by means of three different comprehensive sets of experimental data. The first validation is carried out by comparison of predicted ignition delays with experimental data from an open constant volume combustion chamber. Both two-dimensional (2D) and homogeneous (0D) formulations of the CMC equations have been investigated and the influence of the spatial transport terms is analysed. For all cases, good agreement of the ignition delays is reported for a broad range of temperatures at conditions typical to Diesel engines and the influence of initial turbulence in the surrounding air on the ignition delays is also correctly captured. Experimental data from an optically accessible, closed high temperature high pressure cell constitutes the second benchmark. The comprehensive set of validation data comprises liquid and qualitatively gas phase spray penetration, ignition delay and location as well as a pressure signal. The simulation predicts with good accuracy the spray evolution, the overall pressure increase, and both ignition delay and location. The model performance is further assessed in a third step by comparing the simulation results with pressure traces and rates of heat release from a heavy duty engine at a number of different operating conditions. Very good agreement has been found for both quantities for all points. The model is capable of accurate predictions of the ignition delay, the premixed phase and the diffusion phase of spray combustion and hence presents a very promising tool for the simulation of turbulent auto-igniting liquid fuel sprays. Diese Studie beschäftigt sich mit der Simulation von turbulenten Sprays bei dieselmotorischen Bedingungen. Ein Verbrennungsmodell, basierend auf dem Conditional Moment Closure (CMC) Ansatz, wurde mit einer weit verbreiteten numerischen Strömungssimulations-Software gekoppelt und anschliessend mit experimentellen Daten von drei verschiedenen Versuchsträgern verglichen. Die erste Validierung erfolgt anhand von gemessenen Zündverzügen einer offenen Konstantvolumengeometrie. CMC-seitig wurden sowohl homogene (0D) wie auch zwei-dimensionale (2D) Formulierungen des Codes untersucht und der Einfluss der räumlichen Transportterme analysiert. Für alle Varianten wurden die Zündverzüge für einen weiten Temperaturbereich gut vorhergesagt und der Einfluss von luftseitiger Anfangsturbulenz korrekt abgebildet. Experimentelle Daten einer optisch zugänglichen geschlossenen Brennkammer bilden die Grundlage der zweiten Validierung. Der umfangreiche Datensatz beinhaltet die Penetrationen des flüssigen und qualitativ des gasförmigen Sprays, das Drucksignal sowie Zündverzug und -ort. Die Simulation gibt sowohl die Sprayevolution, den Druckanstieg sowie Zündort und -verzug gut wieder. Im dritten Schritt werden die Simulationsergebnisse mit den gemessenen Druckverläufen und Brennraten eines „heavy duty“-Motors für mehrere Betriebspunkte verglichen, wobei der Simulation eine sehr gute Übereinstimmung attestiert werden kann. Das Modell ist in der Lage, alle drei Phasen der Dieselmotorischen Verbrennung gut abzubilden, namentlich die Zündphase, die vorgemischte Phase und die Diffusionsverbrennung, und stellt deshalb einen sehr vielsprechenden Ansatz zur Simulation der turbulenten Sprayverbrennung dar