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CFD Simulation of Combustion Using Automatically Reduced Reaction Mechanisms : A Case for Diesel Engine

Aglave, Ravindra

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Abstract

The intrinsic low-dimensional manifold (ILDM) method is a technique for automatic reduction of a detailed chemical mechanism based on a local time scale analysis. Chemical processes faster in comparison to the turbulent mixing time scale are assumed to be in a dynamic equilibrium, allowing the chemistry to be expressed only in terms of a few progress variables. It allows the prediction of intermediate and minor species in order to accurately capture the flame propagation and predict pollutant formation. In current work, using n-heptane as a model Diesel fuel, a one- and two-dimensional ILDM with the CO2 and H2O as the progress variable is created. It is combined with a presumed probability density function (PDF) method in order to enable turbulence-chemistry interactions. Scalar dissipation rate is calculated to compare the mechanical and chemistry time scales and to choose the appropriate numerical cells for chemistry calculations. NOx and soot, which are considered as the main pollutants in a Diesel engine are predicted using a Zeldovich model and a phenomenological two-equation model respectively, with the NO and soot precursors obtained from the ILDM chemistry. Low-temperature reactions lead to the slow formation of a radical pool after the fuel is injected in the engine. The concentration of this radical pool increases during the ignition-delay period due to chain reactions. After a critical mass of radicals is formed, rapid reactions start, indicating the occurrence of ignition. It is impractical to use hundreds of reacting species and thousands of reactions in the ignition simulation. Turbulence-chemistry interactions are accounted for by integrating the reaction rate over a presumed probability density function (PDF). Therefore, ignition-delay can be calculated and location of ignition can be identified precisely. Both parameters play a critical role in further flame propagation and ultimately pollutant formation. Radiation is an important mode of heat transfer in soot-rich Diesel engines. The six-dimensional radiative transfer equation (RTE) is solved for the radiative intensity. Models describing the variation of the radiative properties (e.g., absorption coefficients) with wavelength are incorporated. The radiative properties of the gases (CO2 and H2O) are described with a weighted sum of gray gases model (WSGGM). A Caterpillar Diesel engine, for which experimental data were available, is simulated for several injection timings. Ignition is observed to occur at the edge of the spray, in the lean-to-stoichiometric region, where the temperatures are higher. This work establishes the suitability of ILDM in simulating turbulence-chemistry interactions using a presumed PDF approach, with greater accuracy in predicting kinetically controlled processes, without the computational burdens of using detail kinetic reaction mechanisms.

Translation of abstract (German)

Die Methode der ”Intrinsic Low-Dimensional Manifold” (ILDM) ist eine Technik zur automatischen Vereinfachung detaillierter chemischer Reaktionsmechanismen, die auf der Analyse lokaler Zeitskalen beruht. Chemische Prozesse, die im Vergleich zu turbulenten Mischprozessen schneller ablaufen, werden als im dynamischen Gleichgewicht betrachtet. Dies erlaubt die Beschreibung der chemischen Prozesse durch wenige Fortschrittsvariablen. Die Methode ermöglicht die Vorhersage von Zwischenprodukten und Spezies geringer Konzentration, um die Flammenausbreitung und die Entstehung von Schadstoffen präzise wiedergeben zu können. In der vorliegenden Arbeit, in der n-Heptan als Modellbrennstoff f¨ur Diesel benutzt wird, werden eine ein- und eine zweidimensionale ILDM mit CO2 und H2O als Fortschrittsvariablen erzeugt. Die ILDM-Methode wird mit einer angenommenen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDFMethode) kombiniert, um Chemie-Turbulenzwechselwirkungen zu erm¨oglichen. Die skalare Dissipationsrate wird berechnet, um Beschreibung von mechanischen mit den chemischen Zeitskalen zu vergleichen und die angemessene numerische Zellengrößen für die Berechnung der chemischen Prozesse zu bestimmen. NOx und Ruß, die die Hauptschadstoffe eines Dieselmotors sind, werden mit Hilfe des Zeldovich-Modelles und eines phänomenologischen Zweigleichungsmodelles berechnet, jeweils mit den NO- und Rußvorläufern, die der ILDM Methode entnommen werden. Nachdem der Brennstoff in den Motor eingespritzt wurde, f¨uhren Niedertemperaturreaktionen zur langsamen Bildung eines Reservoirs von Radikalen. Die Konzentration dieser Radikale erhöht sich während der Zündverzugszeit durch Kettenreaktionen. Nachdem eine kritische Anzahl von Radikalen erzeugt wurde, starten schnelle Reaktionen, die den Zündzeitpunkt kennzeichnen. Es ist in der Praxis nicht möglich, die Hunderte von reagierenden Spezies und Tausende von Reaktionen in der Simulation des Motors zu berücksichtigen. In dieser Arbeit wird eine repräsentative Spezies (hier CO) benutzt, um den Zündzeitpunkt zu erkennen. Die Konzentration dieser Spezies verbleibt auf einem sehr geringen Niveau während der Zündperiode und zeigt einen steilen Anstieg beim Zündzeitpunkt. Die Chemie-Turbulenzwechselwirkung wird berücksichtigt, indem die Reaktionsrate über eine angenommene Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion integriert wird (PDF). Somit kann die Zündverzugszeit berechnet werden, und der Zündzeitpunkt kann identifiziert werden. Beide Parameter spielen eine kritische Rolle bei der späteren Flammenausbreitung und der Bildung von Schadstoffen. Wärmestrahlung ist ein wichtiger Mechanismus der Wärmeübertragung in rußenden Dieselmotoren. Um die Strahlungsintensität zu erhalten, wird die 6-dimensionale Gleichung der strahlungsbedingten Wärmeübertragung (RTE, radiative transfer equation) gelöst. Die Wärmeübertragungsgleichung (RTE) wird mit Hilfe der sogenannten ”discrete ordinates method” Methode (DOM) in einzelnen Raumrichtungen gelöst, um die Winkelabhängigkeit der Strahlungsintensität beschreiben zu können. Dabei wird ein optisch dünnes Medium angenommen. Wieder wird die Turbulenz-Strahlungswechselwirkung durch wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen beschrieben. Ein Dieselmotor von Caterpillar, für den experimentelle Daten verfügbar sind, wird f¨ur die Simulationen verschiedener Einspritzzeitpunkte verwendet. Es wird beobachtet, daß die Zündung an den Rändern des Sprays stattfindet, in der Region magerer bis stöchiometrischer Zusammensetzung, wo die Temperaturen höher sind. Die Bildung thermischen Stickstoffmonoxids wird im stöchiometrischen Gebiet bei hohen Temperaturen beobachtet, während die Rußbildung in den fetteren Regionen, wo die Temperaturen geringer sind, stattfindet. Diese Arbeit zeigt die Anwendbarkeit der ILDM-Methode bei der Simulation von Turbulenz-Chemiewechselwirkungen mit Hilfe angenommener wahrscheinlochkeitsdichtefunktionen. Die ILDMMethode ermöglicht höhere Genauigkeit bei der Beschreibung kinetisch bedingter Prozesse, ohne aber die Bürde des großen rechentechnischen Aufwands detaillierter Reaktionsmechanismen auf sich nehmen zu müssen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Warnatz, Prof. Dr. Jürgen,
Date of thesis defense: 23. February 2007
Date Deposited: 28. Feb 2007 11:30
Date: 2007
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 660 Chemical engineering
Controlled Keywords: Verbrennung, Intrinsische niedrigdimensionale Mannigfaltigkeit, Numerische Strömungssimulation
Uncontrolled Keywords: Verbrennung , Intrinsische niedrigdimensionale Mannigfaltigkeit , Numerische StrömungssimulationTurbulent Combustion , Reduced Reaction Mechanism , ILDM , CFD
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