噴霧モデリング | CD-adapco
ディーゼルおよびガソリンインジェクタシステムの正確なシミュレーション
噴霧のモデリングにおけるラグランジェ液滴 (離散液滴) モデル化手法は 30年以上に渡って開発が続けられており、ディーゼルおよびガソリンエンジンの両方で多くの異なるタイプのインジェクタに渡り活用されています。
  • The ELSA model used to predict spray primary breakup
  • LES/VOF calculation of the spray primary breakup process used to calculate initial conditions for a Lagrangian model
  • Graph of calculated distribution of droplet sizes.
  • Graph of effect of surface temperature on wall film evaporation rate between saturation temperature and the Leidenfrost temperature
  • Wall film in a DI Diesel Engine
  • Summary of STAR-CD and es-ice capabilities : to keep pace with developments in engine technology, CD-adapco is continuously developing the software to add new capabilities and functionality

噴霧のモデリングにおけるラグランジェ液滴 (離散液滴) モデル化手法は 30年以上に渡り開発が続けられており、ディーゼルおよびガソリンエンジンの両方で多くの異なるタイプのインジェクタに渡り活用されています。

この間に燃料噴射システムには極めて大きな進化がありました。例えばコモンレール方式や複数回噴射が一般的となり、噴射圧力も桁違いに増加しました。STAR-CD のモデルも進化を続け、こうしたシステムにより生成される噴霧を正確にモデリングすることができます。

噴霧の特性は一次分裂プロセスに大きく依存します。これはさらにノズル形状、エンジンの動作条件、燃料の噴射率および燃料と気体の特性により左右されます。

STAR-CD にはラグランジェ計算における初期条件の決定に役立つ数多くの半経験的相関を搭載しています。これらは長年に渡り利用されてきましたが、ノズル内の流れと液体ジェットの分裂をより忠実に解析するため、CD-adapco はこれに代わる新たな 2種類の方式を追求しています。

1つめのアプローチは ELSA (Eulerian- Lagrangian Spray Atomization) モデルで、ノズル内の流れおよびノズル穴のすぐ下流が連続オイラー液相としてモデリングされます。これはオイラー領域とラグランジェ領域の間に遷移領域を導入することで、ラグランジェモデルに連成されます。ここでは一次分裂プロセスが液面密度に関する式を介してモデリングされます。この方法でノズル設計や噴射の効果、エンジンの動作条件を即座に見ることができます。

このモデルは非蒸発性噴霧と蒸発性噴霧の両方における幅広い動作条件において、装置に基づく実験データと優れた一致を示し、シリンダー内噴霧や燃焼のシミュレーションに利用されています。上図はこの手法の主要原理を示したものです。

さらに詳細で根本的なアプローチとして、ノズル内の流れと一次分裂プロセスを VOF (Volume-of-Fluid) および LES (Large Eddy Simulation) に基づいて計算する方法があります。原理的に、この手法では、連続液相の分断と分裂に重要なあらゆる乱流スケールをモデリングするため、一次分裂プロセス自体をモデリングするのではなく、直接計算することができます。

液体コアから生成される流体のすべての「塊」について、サイズ、速度、位置などの情報を連続的に捉えることで、サイズや速度の統計を実験と同様の方法で整理することができます。生の情報を位置などの条件に基づいてサンプリングすることもできるため、ノズル設計に基づいてラグランジェ計算の初期条件を求める包括的なアプローチが可能です。

また、噴射圧力の上昇が熱負荷の上昇と連成されることから、表面温度が液体の飽和温度を上回る衝突領域が生じていました。STAR-CD に導入された新しいモデリングでは、こうした高温条件下 (ライデンフロスト温度およびそれ以上の温度) における実現象の再現が求められます。

一般的な蒸発の多成分モデリングは長年に渡り STAR-CD で利用されていますが、近年は E10 (10%エタノール、90%ガソリン) や B30 (30%バイオディーゼル、70%ディーゼル) などの 2成分燃料混合が主要になってきました。こうした燃料の蒸発や混合を正しくモデリングすることで得られる蒸気フィールドは、ECFM 燃焼モデルや PVM 燃焼モデルで直接利用することができます。

RSS - 噴霧モデリング を購読
  • Presentations
  • Videos
  • Papers
  • Case studies