Modelización de flujos turbulentos multifásicos aplicada al diseño de sistemas inyectores de nafta en motores de combustión interna

Abstract

Los motores de combustión interna son la principal fuente de potencia en los sistemas de transporte. Su uso intensivo impulsa la necesidad de aumentar su eficiencia energética y reducir su impacto ambiental. Ambos aspectos están estrechamente relacionados al desarrollo de la combustión en el cilindro, que depende principalmente de la proporción aire-combustible al momento de la ignición. De esta manera, el método más empleado para dosificar el combustible en los vehículos modernos es la inyección directa. Durante los primeros instantes de inyección, el combustible penetra en la cámara de combustión fragmentándose en pequeñas gotas; este proceso, conocido como atomización, está presente en gran cantidad de fenómenos físicos y aplicaciones industriales, siendo un objeto de interés tanto para la ciencia como para la ingeniería. Esta tesis se centra en el desarrollo de técnicas numéricas para la simulación de flujos multifásicos turbulentos y su aplicación para caracterizar los mecanismos de atomización en condiciones similares a la inyección de combustible en motores. Respecto al primer punto, se describe la formulación matemática del método Volume of Fuid (VOF) con representación geométrica de la interfase en mallas cartesianas, implementado en la librería Basilisk de software libre. En este contexto, se definen las estrategias de Refinamiento Adaptativo de Malla (Adaptive Mesh Refinement, AMR) empleadas principalmente para limitar el error de numérico. Luego se extiende la técnica de AMR para aplicar modelos implícitos de turbulencia (ILES) adaptativos, utilizando estrategias de refinamiento basadas en una función indicadora que relaciona las escalas locales de turbulencia con el filtro LES dado por el paso de malla. El conjunto de esta tres herramientas (VOF, AMR e ILES), define la metodología propuesta para la simulación de flujos multifásicos turbulentos. Esta implementación se utiliza para simular la atomización de un chorro cilíndrico bajo diversas condiciones de inyección. En cada caso se caracteriza el aerosol producido mediante un análisis estadístico, determinando la distribución espacial, el tamaño y la velocidad de cada gota, definiendo las tendencias que determinan la evolución global del sistema. Estos resultados vinculan los mecanismos de fragmentación a la interacción entre la turbulencia y las inestabilidades hidrodinámicas de la interfase. A partir de las condiciones de flujo observadas en la atomización de chorros, se simulan problemas simplificados de fragmentación de gotas, donde se estudia con mayor detalle la ruptura por efectos aerodinámicos. Finalmente, los resultados de atomización secundaria se utilizan para evaluar la precisión de los modelos algebraicos empleados usualmente para representar la inyección en la simulación de motores.

Internal Combustion Engines (ICEs) are the main power source in transport systems. Its intensive use pushes the need to seek improvement of energetic efficiency and environmental impact. Both aspects depend heavily on the fuel-air mix properties within the cylinder. In this context, the most extended method to deliver the fuel is direct injection. During the first stages of injection, the fuel jet enters into the combustion chamber and breaks up into droplets. This phenomenon is called atomization, and defines the liquid fuel distribution into a spray that evaporates and mixes with the air. This thesis focuses in the development of efficient numerical techniques for the simulation of turbulent multiphase flow and its use to characterize the atomization mechanisms presente in fuel injection problems. Regarding the former, the mathematical basis are given for the Volume of Fluid Method (VOF) with geometrical interface reconstruction, as it is implemented in Basilisk open-source library. In this framework, the Adaptive Mesh Refinement (AMR) strategies, employed to bound the numerical error of the solution, are described. This technique is extended to apply adaptive Large Eddy Simulation (LES) models by using a refinement strategy based on an indicator function that relates the local turbulent scales and the LES filter given by the mesh step. The combination of these three methods (VOF, AMR and LES) defines an efficient solver for turbulent multiphase flow simulation. The developed computational tool is applied to simulate the atomization of a round liquid jet for several injection conditions. For each case, the spray characteristics are described by means of statistical analysis, measuring the droplets size, position and velocity. The observed trends are then used to define the gobal evolution of the system. These results link the atomization mechanisms to the interaction between turbulence and hidrodynamic instabilities. Based on the flow properties observed in the previous problem, a set of drop atomization cases are simulated, where the droplet aerodynamic breakup is studied with more detail. Finally, these secondary atomization results are employed to evaluate the accuracy of algebraic injection models usually applied to ICE simulation.