Computational study and optimization of flow and combustion processes in marine engines operating with heavy fuel oil
Authors: Κοντούλης Παναγιώτης 
Published: September 2021

Το βαρύ ναυτιλιακό καύσιμο (Heavy Fuel Oil - HFO) είναι το κυρίαρχο ναυτιλιακό καύσιμο.Η μελλοντική χρήση του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου θα επηρεαστεί σημαντικά από τονκανονισμό που αφορά στη μέγιστη επιτρεπόμενη επί τοις εκατό κατά βάρος περιεκτικότητατου θείου στο καύσιμο. Αναφορικά με την ωκεανοπορεία, το ισχύον όριο είναι 3.5%, ενώ απότην 1/1/2020 έχει προγραμματιστεί από τον Διεθνή Ναυτιλιακό Οργανισμό (InternationalMaritime Organization - IMO) αυτό να μειωθεί στο 0.5%. Σήμερα, η υπολογιστική μελέτηφαινομένων ροής και καύσης σε ναυτικούς κινητήρες Diesel μπορεί να υποστηριχθεί από τηχρήση εργαλείων Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (Computational Fluid Dynamics - CFD). ΗΥπολογιστική Ρευστοδυναμική συμβάλλει σημαντικά στην κατανόηση και βελτιστοποίηση τωνθερμορευστομηχανικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στον κύλινδρο των ναυτικώνμηχανών. Επίσης, η αξιόπιστη αποτύπωση της θερμορευστομηχανικής σε εφαρμογέςναυτικών κινητήρων είναι στόχος υψηλού ενδιαφέροντος αλλά και υψηλής δυσκολίας, καθώςαπαιτεί την ανάπτυξη φυσικών μοντέλων για την περιγραφή: (α) της τύρβης στην αέριαφάση, (β) της διφασικής ροής του spray καυσίμου (πρωτογενής και δευτερογενής διάσπαση,εξάτμιση), (γ) της έναυσης, και (δ) της καύσης. Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί μιαεκτενή μελέτη Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής που αφορά στη μη-αντιδρώσα (non-reactive)και στην αντιδρώσα (reactive) ροή του spray του βαρέος καυσίμου σε εφαρμογές ναυτικώνκινητήρων. Επίσης, περιλαμβάνει μελέτες βελτιστοποίησης του προφίλ έγχυσης του βαρέοςκαυσίμου μεγάλων δίχρονων ναυτικών κινητήρων Diesel. Η αξιολόγηση των αριθμητικώναποτελεσμάτων της παρούσας εργασίας βασίζεται στη σύγκριση αυτών με πειραματικάδεδομένα.Σε αυτό το πλαίσιο, στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκε ένα νέοολοκληρωμένο μοντέλο για τον υπολογισμό των θερμοφυσικών ιδιοτήτων βαρέος ναυτιλιακούκαυσίμου. Το μοντέλο κάνει χρήση της παραδοχής μονοσυστατικού υγρού με μηπροσδιορισμένη σύνθεση, απαιτεί δε ως είσοδο τέσσερις τιμές θερμοφυσικών ιδιοτήτων οιοποίες είναι διαθέσιμες από την ανάλυση λαμβανόμενου κατά την πετρέλευση δείγματος. Μεβάση τα συγκεκριμένα δεδομένα εισόδου, το αναπτυχθέν μοντέλο είναι ικανό να αναπαράγειτις θερμοφυσικές ιδιότητες οποιασδήποτε ποιότητας βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Τομοντέλο υπολογίζει τις τιμές ενός ευρέος φάσματος θερμοφυσικών ιδιοτήτων,συμπεριλαμβανόμενης της θερμοκρασιακής εξάρτησης αυτών. Περαιτέρω, για τηνπιστοποίηση του μοντέλου πραγματοποιήθηκαν εργαστηριακές μετρήσεις διαφορετικώνποιοτήτων βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Εν συνεχεία, το νέο μοντέλο εφαρμόστηκε για τονυπολογισμό των θερμοφυσικών ιδιοτήτων επτά διαφορετικών, ευρέως χρησιμοποιούμενων,ποιοτήτων βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου, όπως αυτές προδιαγράφονται από το διεθνέςπρότυπο ISO 8217:2010. Επίσης, η ακρίβεια του μοντέλου ελέγχθηκε με υπολογισμούς τηςμη αντιδρώσας και της αντιδρώσας ροής spray βαρέος καυσίμου σε μεγάλο θάλαμο καύσηςσταθερού όγκου, με σύγκριση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων με αντίστοιχα πειραματικά.Στην παρούσα διατριβή, το μοντέλο spray που χρησιμοποιήθηκε στις προσομοιώσειςβασίζεται σε κατάλληλη προσαρμογή του μοντέλου CAB. Η σύγκριση των αριθμητικώναποτελέσματων που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις της μη-αντιδρώσας και τηςαντιδρώσας ροής σε μεγάλο θάλαμο καύσης σε σχέση με τα πειραματικά δεδομένα ήτανπολύ καλή.Επιπροσθέτως, το νέο μοντέλο θερμοφυσικών ιδιοτήτων χρησιμοποιήθηκε για ενδελεχείςμελέτες Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής που αφορούν στην έναυση και καύση του βαρέοςναυτιλιακού καυσίμου σε μεγάλο θάλαμο καύσης σταθερού όγκου και σε μεγάλο δίχρονοναυτικό κινητήρα. Τα αριθμητικά αποτελέσματα που προέκυψαν συγκρίθηκαν μεπροϋπάρχοντα και νέα πειραματικά δεδομένα δύο διαφορετικών ποιοτήτων βαρέοςναυτιλιακού καυσίμου. Στη διατριβή αναπτύχθηκε ένα νέο μοντέλο χημικής κινητικής για τημοντελοποίηση της έναυσης του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου, το οποίο λαμβάνει υπόψη τηναρωματικότητα του καυσίμου. Τα αριθμητικά αποτελέσματα που αφορούν στην καθυστέρηση έναυσης του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου σε μεγάλο θάλαμο καύσης είναι σε πολύ καλήσυμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα. Ακολούθως, καταδεικνύονται οι επιδράσεις τηςπροθέρμανσης του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου στην εξέλιξη της ροής του spray. Τααριθμητικά αποτελέσματα που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις σε μεγάλο δίχρονοναυτικό κινητήρα είναι σε πολύ καλή συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα αναφορικά με:(α) την πίεση, (β) τη θερμοκρασία, (γ) τον ρυθμό έκλυσης θερμότητας, και (δ) τις εκπομπέςτων ρύπων. Το σύνολο των αριθμητικών αποτελεσμάτων όσον αφορά στη μοντελοποίησητων θερμοφυσικών ιδιοτήτων του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου αλλά και στις εκτενείς μελέτεςΥπολογιστικής Ρευστοδυναμικής κατέδειξαν ότι η παρούσα προσέγγιση είναι κατάλληλη γιαπροσομοιώσεις ροής και καύσης του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου σε ναυτικούς κινητήρες.Τέλος, πραγματοποιήθηκε πολυκριτηριακή βελτιστοποίηση για τη διερεύνηση τηςεπίδρασης της στρατηγικής έγχυσης με χρήση τριπλού παλμού του βαρέος καυσίμου(προέγχυση, κύρια έγχυση, μετέγχυση) στην ειδική κατανάλωση του καυσίμου (Specific FuelOil Consumption-SFOC), στα τελικά επίπεδα συγκέντρωσης των οξειδίων του αζώτου (NOx)και στις εκπομπές των σωματιδίων αιθάλης (soot) σε έναν μεγάλο δίχρονο ναυτικό κινητήρα.Η διαδικασία βελτιστοποίησης πραγματοποιήθηκε με σύζευξη ενός κατάλληλαδιαμορφωμένου κώδικα Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής, με βάση τον κώδικα KIVA-3, μεέναν κώδικα βελτιστοποίησης βασισμένο σε Εξελικτικούς Αλγορίθμους (EvolutionaryAlgorithms - EAs). Η βελτιστοποίηση περιέλαβε βελτιστοποίηση χωρίς περιορισμούς καιβελτιστοποίηση με περιορισμούς. Τα αποτελέσματα που παρήχθησαν και από τα δύοπροβλήματα της βελτιστοποίησης (πρόβλημα με περιορισμούς, πρόβλημα χωρίςπεριορισμούς) κατέδειξαν σημαντική ταυτόχρονη μείωση των εκπομπών των οξειδίων τουαζώτου και των σωματιδίων αιθάλης σε σχέση με μια περίπτωση αναφοράς,χαρακτηριζόμενη από συνεχές προφίλ έγχυσης βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Συγκεκριμένα,για την περίπτωση της βελτιστοποίησης με περιορισμούς η ταυτόχρονη μείωση των οξειδίωντου αζώτου και των σωματιδίων της αιθάλης ήταν 15% και 11%, αντίστοιχα.Η συνολική έρευνα της παρούσας διδακτορικής διατριβής συνοψίζεται ως ακολούθως: Δημιουργία ενός νέου μοντέλου για την παραγωγή των θερμοφυσικών ιδιοτήτων τουβαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Το παρόν μοντέλο δύναται να παραγάγει τιςθερμοφυσικές ιδιότητες οποιασδήποτε ποιότητας βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Ουπολογισμός των θερμοφυσικών ιδιοτήτων βασίζεται σε τέσσερις τιμέςθερμοφυσικών ιδιοτήτων, οι οποίες είναι διαθέσιμες από την ανάλυση λαμβανόμενουκατά την πετρέλευση δείγματος: (α) πυκνότητα, (β) κινηματικό ιξώδες σε δύοθερμοκρασίες, και (γ) επί τοις εκατό κατά βάρος περιεκτικότητα σε θείο. Αξιολόγηση του νέου μοντέλου πραγματοποιώντας πειραματικές μετρήσεις πουαφορούν σε θερμοφυσικές ιδιότητες του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Εφαρμογήτου παρόντος μοντέλου για τον υπολογισμό των θερμοφυσικών ιδιοτήτων βαρέωνναυτιλιακών καυσίμων που χρησιμοποιήθηκαν σε πειραματικές μετρήσεις πουπραγματοποιήθηκαν από το Ομοσπονδιακό Πολυτεχνείο της Ζυρίχης (ETH Zürich)και τη Winterthur Gas & Diesel (πρόσφατη μετονομασία της Wärtsilä Switzerland Ltd.,από τον Ιανουάριο του 2015 και εξής) σε μεγάλο θάλαμο καύσης σταθερού όγκου. Επέκταση της βιβλιοθήκης των καυσίμων του κώδικα ΥπολογιστικήςΡευστοδυναμικής KIVA-3, με πρόσθεση διαφόρων ποιοτήτων βαρέος ναυτιλιακούκαυσίμου. Περαιτέρω ανάπτυξη του μοντέλου spray ΕΤΑΒ στο πλαίσιο του μοντέλου spray CABστον κώδικα KIVA-3, ώστε να προβλέπεται ακριβέστερη εξέλιξη της διάσπασης τουspray βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Εφαρμογή του νέου μοντέλου για τον υπολογισμό των θερμοφυσικών ιδιοτήτωνποιοτήτων βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου όπως αυτές προδιαγράφονται από τοδιεθνές πρότυπο ISO 8217:2010: 10RMA, 30RMB, 80RMD, 180RMG, 380RMK,500RMK and 700RMK. Μελέτη Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής της μη-αντιδρώσας ροής του βαρέοςναυτιλιακού καυσίμου σε μεγάλο θάλαμο καύσης σταθερού όγκου σε συνθήκεςεξάτμισης. Η μελέτη συμπεριέλαβε και την αξιολόγηση της συμπεριφοράς τουμοντέλου spray ΕΤΑΒ σε σχέση με τη συμπεριφορά του μοντέλου spray CAB. Ανάπτυξη ενός νέου μοντέλου χημικής κινητικής, λαμβάνοντας υπόψη τηναρωματικότητα του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Εφαρμογή του νέου μοντέλουχημικής κινητικής στον κώδικα KIVA-3 για τη μοντελοποίηση της έναυσης του βαρέοςναυτιλιακού καυσίμου. Μελέτη Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής της μη-αντιδρώσας ροής, μη-εξατμιζόμενηςκαι εξατμιζόμενης, του spray βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου σε μεγάλο θάλαμο καύσηςσταθερού όγκου. Σύγκριση των αριθμητικών αποτελεσμάτων με πειραματικάδεδομένα των ομάδων του Ομοσπονδιακού Πολυτεχνείου της Ζυρίχης (ETH Zürich)και της Winterthur Gas & Diesel, καθώς και με δεδομένα της βιβλιογραφίας. Στημελέτη περιλαμβάνεται και η επίδραση της προθέρμανσης του βαρέος ναυτιλιακούκαυσίμου στη δυναμική της ροής του spray. Μελέτη Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής της καύσης ποιοτήτων βαρέος ναυτιλιακούκαυσίμου με χαμηλή και καλή ποιότητα ανάφλεξης σε μεγάλο θάλαμο καύσηςσταθερού όγκου. Τα αριθμητικά αποτελέσματα συγκρίθηκαν με πειραματικάδεδομένα. Παρατηρήθηκε πολύ καλή σύγκλιση των αριθμητικών αποτελεσμάτων μετις πειραματικές μετρήσεις, όσον αφορά στον χρόνο καθυστέρησης έναυσης, καθώςκαι στην περιοχή της έναυσης. Μελέτη Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής με στόχο τη δημιουργία μιας περίπτωσηςαναφοράς για την καύση βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου σε μεγάλο δίχρονο ναυτικόκινητήρα. Επιτεύχθηκε πολύ καλή σύγκλιση μεταξύ αριθμητικών αποτελεσμάτων καιπειραματικών δεδομένων αναφορικά με: (α) την πίεση, (β) τον ρυθμό έκλυσηςθερμότητας, και (γ) τις εκπομπές των ρύπων. Στη μελέτη συμπεριλήφθηκε ηεπίδραση της προθέρμανσης του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Μελέτη Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής για την καύση βαρέος ναυτιλιακού καυσίμουμε χρήση προηγμένων τεχνικών έγχυσης του καυσίμου, στο πλαίσιο πολυκριτηριακήςβελτιστοποίησης με στόχο την ταυτόχρονη μείωση των ρύπων και της ειδικήςκατανάλωσης καυσίμου.