DuEPublico 2

Dies ist unser neues Repositorium, derzeit für E-Dissertationen und ausgewählte weitere Publikationen. Weitere Informationen...

Large eddy simulation of internal combustion engine with efficient, particle-based moving immersed boundaries

Nguyen, Minh Thuong

Numerical simulations play an important role in research and development of internal combustion engines (ICE). Existing numerical approaches for engine simulation have been proven to be accurate in reproducing a wide range of physical phenomena inside an ICE. Numerical studies on more complex issues related to ICE, such as NOx formation, knock, ignition or cycle-to-cycle variation (CCV), have become more feasible and reliable. Together with the increase in the computational capacity and the advancement in the numerical methods, developing numerical approaches that are easy to implement and efficient to utilize the high performance computing (HPC) become more demanding. This work focuses on the mathematical modelling and the numerical simulations to study the flow dynamics and the combustion processes inside an ICE. The aim is to develop simple but efficient approaches to tackle a number of issues that are important for the ICE simulations. This dissertation proposes a new approach for the engine simulations based on the immersed boundary method (IBM), Lagrangian particles and large eddy simulation (LES). In this work, an LES solver for a fully compressible Navier-Stokes equations is implemented to simulate the flow dynamics inside an ICE. To model the interaction between the fluid flow and the moving boundaries, a particle-based method is developed and implemented into the compressible flow solver. Applying this method to the engine simulations, the motion of the valves and the piston is numerically described by Lagrangian particles. This proposed mesh-free technique for boundary representation is simple for parallelization and suitable for high performance computing. The stationary parts of the engine are described by a computationally efficient IBM, where the mesh generation is fast and simple on an equidistant Cartesian grid, and the involved numerical operations can be efficiently performed by vectorization. In the proposed approach, the turbulent combustion inside the engine combustion chamber is modelled by the flame surface density (FSD) approach using a single step chemical mechanism for the heat release. To demonstrate the method, LES results are presented for different test cases involving the flow around a cylinder, the flow in channels, the motored- and fired-case in different engine geometries. Good agreements are achieved between the numerical results and the experiments. The obtained results show the suitability and the reliability of the proposed method for accurate numerical predictions in various CFD-problems. The suitability of the proposed approach for HPC is demonstrated by massively parallel simulations of an ICE on different supercomputers.

Numerische Simulationen spielen eine wichtige Rolle bei der Forschung und Entwicklung von Verbrennungsmotoren. Bestehende numerische Ansätze für die Simulation von Motoren haben sich als präzise erwiesen, um eine breite Palette von physikalischen Phänomenen innerhalb eines Verbrennungsmotors zu reproduzieren. Numerische Studien zu komplexeren Fragen im Zusammenhang mit Verbrennungsmotoren, wie z.B. NOx-Bildung, Klopfen, Zündung oder Zyklus-zu-Zyklus-Variation, sind umsetzbarer und zuverlässiger geworden. Die Entwicklung von numerischen Methoden, die einfach zu implementieren sind und High-Performance-Computing effizient nutzen, werden, durch die steigende Rechenkapazität und dem Fortschritt in der Modellierung, benötigt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die mathematische Modellierung und numerische Simulation, um die Strömungsdynamik und die Verbrennungsprozesse innerhalb eines Verbrennungsmotors zu untersuchen. Ziel ist es, einfache, aber effiziente Ansätze zu entwickeln, um eine Reihe von Themen zu bewältigen, die für die Motorsimulationen wichtig sind. Diese Dissertation schlägt einen neuen Ansatz für die Motorsimulationen auf der Grundlage der Immersed Boundary Methode, Lagrange-Partikel und Grobstruktursimulationen (LES) vor. In dieser Arbeit wurde ein LES-Lösungsansatz für die vollständigen kompressiblen Navier-Stokes-Gleichung implementiert, um die Strömungsdynamik innerhalb eines Verbrennungsmotors zu simulieren. Zur modelierung der Interaktion zwischen Trägheitskräften des Fluides und den bewegenden Grenzen, wurde ein partikelbasiertes Verfahren entwickelt und in den Löser des kompressiblen Fluides implementiert. Durch die Anwendung dieser Methode auf Motorsimulationen, wird die Bewegung der Ventile und des Kolbens numerisch von den Lagrange-Partikeln beschrieben. Diese netzfreie Technik für die Gebietsrand-Darstellung ist einfach zu parallelisieren und eignet sich für Einsatz auf Hochleistungs-Rechnern. Die stationären Teile des Motors werden von einer rechnerisch effizienten Immersed Boundary Methode beschrieben, bei der die Netzerzeugung auf einem äquidistanten kartesischen Gitter schnell und einfach ist und die beteiligten numerischen Operationen durch Vektorisierung effizient durchgeführt werden können. Bei dem vorgeschlagenen Ansatz wurde die turbulente Verbrennung innerhalb des Brennraums durch das Flame-Surface-Density Model modelliert, wobei ein Einschritt-Mechanismus für die Wärmefreisetzung verwendet wurde. Um das Verfahren zu demonstrieren, werden in dieser Arbeit LES-Ergebnisse für verschiedene Testfälle präsentiert z.B. die Strömung um einen Zylinder, in Kanälen, sowie Motorsimulationen aktueller Motorgeometrien mit und ohne Verbrennung. Die Ergebnisse demonstrieren die Eignung und die Zuverlässigkeit des vorgeschlagenen Verfahrens für präzise numerische Vorhersagen verschiedener Probleme in der numerischen Strömungssimulation, da gute Übereinstimmung zwischen den numerischen Ergebnissen und den Experimenten erzielt wurde. Außerdem wird die Eignung der gewählten Vorgehensweise für Einsatz auf Hochleistungs-Rechnern durch massiv parallele Simulationen eines Verbrennungsmotors auf verschiedenen Supercomputern präsentiert.

Share and cite

Citation style:

Nguyen, Minh Thuong: Large eddy simulation of internal combustion engine with efficient, particle-based moving immersed boundaries. 2017.

Rights

Use and reproduction:

Export