Numeerisia tutkimuksia polttomoottoreiden seoksenmuodostusta varten

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Modernit laihan seoksen ja alhaisen lämpötilan palamistekniikat mahdollistavat korkeamman hyötysuhteen ja alhaisemmat päästöt polttomoottoreissa. Tehohäviöihin ja palamattomiin hiilivetypäästöihin liittyvät palamisprosessin epänormaaliudet ja moottorivirtauksille ominaiset sykliset vaihtelut luovat kuitenkin merkittäviä haasteita. Polttoaine-ilma-seoksen palamiskelpoisuus riippuu sylinterin sisäisistä suureista, kuten virtauksen turbulenssista, seoksen koostumuksesta ja lämpötilasta. Koska näiden suureiden kokeellinen tutkimus on haasteellista, on hyödyllistä kehittää nopeita ja tarkkoja laskennallisia työkaluja. Näiden tulisi kyetä luotettavaan kuvaukseen mm. turbulentin sekoittumisen, seinämälämmönsiirron ja termisen kerrostumisen osalta. Tämä väitöskirja tähtää turbulentteja virtausrakenteita ratkaisevan simuloinnin ymmärryksen ja ennustustarkkuuden parantamiseen seoksenmuodostukseen liittyvissä seinämävirtaustapauksissa. Oheistavoitteena tutkitaan seoksenmuodostuksen ja injektioparametrien riippuvuuksia kaasumaisen polttoaineen suorasuihkutuksessa.  Käytetyt laskennallisen virtausmekaniikan menetelmät hyödyntävät tilastollisia (RANS) ja suodatusperusteisia (LES) turbulenssimalleja. Mallikeskeiset seinämälähestymistavat ovat työssä olennaisia laskentakuorman säästön vuoksi. Työssä keskitytään erityisesti alueelliseen LES/RANS-hybridimenetelmään, johon on sisällytetty erityinen seinämäkäsittelymenetelmä (HLR-WT). Testitapauksina käytetään yksinkertaistettuja moottorigeometrioita sekä akateemisia virtaustapauksia. Referenssituloksina hyödynnetään (1) näiden virtaustapausten mittauksia ja suoraa numeerista simulointia (DNS), sekä (2) kaasusuihkujen laserfluoresenssimittauksia ja korkean resoluution laskentaa.  Kaasun suorasuihkutustulokset kertovat suihkutuspaineen, -ajoituksen ja suutintyypin itsenäisistä ja yhdistetyistä seoksenmuodostusvaikutuksista. Hybridimallit parantavat LES-laskennan tuloksia harvarakenteisilla hiloilla vaihtelevin tavoin, ja mallien menetelmäkohtaiset ominaisuudet tulee tiedostaa käytännön sovelluksissa. Uusi menetelmäyhdistelmä HLR-WT parantaa laskentahilan joustavuutta akateemisissa virtaustapauksissa ja tuottaa lupaavia tuloksia moottorinomaisissa virtauksissa. Erityisesti turbulentin lämmönsiirron ominaispiirteiden, seinämäsuureiden skaalautuvuuden ja lämpötilan kerrostumisen tulokset vertautuvat suhteellisen tarkasti referenssituloksiin vähäisellä hilakokoriippuvuudella. Tulokset ovat lupaavia insinöörityön kannalta merkittävien, suuremman Reynoldsin luvun konfiguraatioiden simuloinnissa.
Julkaisun otsikon käännösNumeerisia tutkimuksia polttomoottoreiden seoksenmuodostusta varten
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Larmi, Martti, Vastuuprofessori
  • Kaario, Ossi, Ohjaaja
  • Vuorinen, Ville, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-8127-4
Sähköinen ISBN978-952-60-8128-1
TilaJulkaistu - 2018
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • polttomoottorit
  • kaasun suorasuihkutus
  • hybriditurbulenssimallinnus
  • seinämämallinnus
  • seinämälämmönsiirto

Sormenjälki Sukella tutkimusaiheisiin 'Numeerisia tutkimuksia polttomoottoreiden seoksenmuodostusta varten'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä