Simulation of flow and combustion in cylinder of an experimental single-cylinder Internal Combustion Engine
Authors: Κάτσινος Αλέξανδρος 
Published: April 2022

Για τον περιορισμό της χρήσης ορυκτών καυσίμων - και των εκλυόμενων από αυτά αερίων του θερμοκηπίου αλλά και των υπολοίπων ρύπων – από τον τομέα των μεταφορών, υπάρχει συνεχής ανάγκη βελτίωσης και ανάπτυξης εξελιγμένων Μηχανών Εσωτερικής Καύσης (ΜΕΚ) που θα λειτουργούν σε συστήματα όλο και μεγαλύτερης πολυπλοκότητας (π.χ. λόγω υβριδοποίησης). Οι μηχανές έναυσης με σπινθήρα εκτιμάται πως θα αποτελέσουν σημαντικό μερίδιο των υβριδικών οχημάτων, που θα έχουν σημαίνοντα ρόλο τις επόμενες δεκαετίες, και αντιμετωπίζουν διάφορες προκλήσεις. Για την επίτευξη λοιπόν των στόχων μείωσης του CO2, την μετά-2021 περίοδο, πέρα από την ανάγκη της σωστής βαθμονόμησης των παραμέτρων του συστήματος, απαιτείται η ανάπτυξη, η προσαρμογή, η επικύρωση και η χρήση ανεπτυγμένων λογισμικών κατάλληλων για την ακριβή εκτίμηση της απόδοσης, των ενεργειακών ροών, της κατανάλωσης και των εκπεμπόμενων ρύπων.Η ραγδαία αύξηση της υπολογιστικής ισχύος έχει οδηγήσει στην μετάβαση από RANS προσομοιώσεις καύσης στις LES και DNS, αυξάνοντας την προβλεπτικότητα και την ακρίβεια των αριθμητικών διερευνήσεων. Παρά την σημαντική προσπάθεια προσέγγισης των πραγματικών συνθηκών λειτουργίας, αλλά και ενσωμάτωσης πιο λεπτομερών φυσικών φαινομένων, επιπλέον προσπάθεια απαιτείται για την επίτευξη προσομοιώσεων αυτής της ακρίβειας. Η προσπάθεια αυτή αναμένεται τελικά να ευοδωθεί με την χρήση Exascale υπολογισμών. Η Ευρωπαϊκή Ένωση, μέσω του κέντρου Αριστείας στην Καύση (Center of Excellence in Combustion, CoEC), σκοπεύει στην ανάπτυξη της ευρωπαϊκής Exascale υποδομής, με σκοπό την εξέλιξη και υποστήριξη των Ευρωπαϊκών δραστηριοτήτων της επιστήμης της καύσης.Η παρούσα διδακτορική διατριβή σκοπεύει στην διερεύνηση και βελτιστοποίηση της προγνωστικής ικανότητας: α) της απόδοσης και των εκπομπών ΜΕΚ με τη συνδυασμένη χρήση υπολογιστικών και πειραματικών μεθόδων. Σκοπός της διερεύνησης είναι η πιστοποίηση των υπολογιστικών μεθόδων που χρησιμοποιούνται σήμερα για την προσομοίωση διεργασιών εντός κυλίνδρου ΜΕΚ, όπως και η διερεύνηση της δίνης ανατροπής που σχηματίζεται κατά την φάση πλήρωσης του κινητήρα. Για την υπολογιστική διερεύνηση της χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο της μεγάλης δίνης (LES, Large Eddy Simulations) εφαρμοσμένο εντός κυλίνδρου εργαστηριακού κινητήρα οπτικής πρόσβασης που είναι εγκατεστημένος και λειτουργεί στο Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας. β) της σωματιδιακής κατανομής της αιθάλης μέσω ενός καινοτόμου μοντέλου ταυτοχρόνως της χρήσης λεπτομερούς μοντέλου ακτινοβολίας. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν σε καυστήρα ομορροής αιθυλενίου, καθώς παρείχε την κατάλληλη βάση δεδομένων για την πιστοποίηση των αποτελεσμάτων και την εξαγωγή συμπερασμάτων με τη χρήση αναλυτικής χημείας και άλλων μοντέλων δευτερεύουσας σημασίας. Το μοντέλο παραγωγής αιθάλης μετατράπηκε σε εξωτερική βιβλιοθήκη και συζεύχθηκε αμφίδρομα με τον κώδικα υπολογιστικής ρευστομηχανικής STAR-CCM+. Η μελέτη αυτή υπήρξε το αποτέλεσμα στενής συνεργασίας με την ομάδα του Καθ. κ. Στέλιου Ρηγόπουλου στο Imperial College London. γ) της παραγωγής αιθάλης υπό το πρίσμα υψηλής πιστότητας και τάξης DNS με τη χρήση του φασματικού επιλυτή Nek5000. Ως εκ τούτου αναπτύχθηκε επέκταση του κώδικα Nek5000 ώστε να είναι δυνατή η προσομοίωση της δημιουργίας αιθάλης. Δύο μοντέλα να ενσωματώθηκαν στον κώδικα, ένα διακριτό και ένα βασισμένο στη μέθοδο των ροπών. Η ακρίβεια της σύζευξης πιστοποιήθηκε με την προσομοίωση της παραγωγής αιθάλης σε στρωτή φλόγα αιθυλενίου. Το παραχθέν περιβάλλον θα επιτρέψει την πραγματοποίηση των πρώτων Exascale προσομοιώσεων σε κινητήρες υπό πραγματικές συνθήκες λειτουργίας, στο πλαίσιο της συμμετοχής μας στο CoEC.