بررسي تاثير توزيع قطر قطرات در پيش‌بيني طول نفوذ مايع و بخار در اسپري ديزل

Investigation of droplet size distribution effect in prediction of liquid and vapor penetration length in the diesel spray

هدف تحقيق حاضر بررسي عددي اسپري تبخيري و غير واكنشي ديزل در يك محفظه‌ي احتراق حجم ثابت با شرايط دمايي و فشاري بالا، به‌عنوان گام اوليه‌ي مهم در شبيه‌سازي احتراق سوخت مايع است. بدين منظور اثر توزيع قطر قطرات در محاسبه دو مشخصه كليدي اسپري يعني طول نفوذ مايع و طول نفوذ بخار به كمك نرم‌افزار متن‌باز اپن‌فوم بررسي‌ شده است. جهت تعيين تاثير توزيع قطر قطرات، سه توزيع مختلف با قطرهاي در محدودهي 100 الي 0.25 ميكرومتر در نظر گرفته‌ شده و طول نفوذ مايع و بخار براي هر حالت جداگانه محاسبه‌ شده است. جهت صحتسنجي نتايج از دادههاي تجربي منتشر شده توسط آزمايشگاه ملي سنديا استفاده ‌شده است. نتايج شبيهسازي نشان ميدهد كه توزيع قطر قطرات اثر بسيار قابل‌توجهي بر پيش‌بيني طول نفوذ مايع دارد، به‌نحوي‌كه باعث پيشبيني بيش از دو برابري طول نفوذ مايع مي‌گردد، درحالي‌كه اثر آن بر روي طول نفوذ گاز ناچيز است. همچنين استفاده از توزيع قطر قطرات هم‌اندازه با قطر نازل سبب پيش‌بيني غيرفيزيكي طول نفوذ مايع مي‌شود. اين امر ميتواند منجر به پيش‌بيني غيرفيزيكي برخورد اسپري به پيستون و ديوارهي سيلندر شده و در محاسبهي غلظت هيدروكربن‌هاي نسوخته و همچنين بازده موتور تاثير بگذارد.

The aim of this study is numerical investigation of an evaporating and non-reacting diesel spray operating in a high pressure and high temperature constant volume combustion chamber, as an essential step in simulation of liquid fuels combustion. To this end, the impact of droplets diameter distribution on estimating two critical characteristic parameters, i.e., liquid and vapor penetration lengths is studied using the open-source OpenFOAM code. In order to determine droplets diameter distribution effect, three different distributions ranging from 0.25-100 micron are chosen and the liquid and vapor penetration lengths are individually calculated for each distribution. The results are validated against the experimental data published by Sandia National Laboratory. The results show that, while the droplets diameter distribution has a remarkable effect on the predicted value of the liquid length, it leads to overestimating liquid penetration lengths up to more than two times; its effect on the vapor length prediction is negligible. Also, assuming a nozzle diameter distribution leads to non-physical increase in the value of liquid length. This non-physical prediction may lead to the misleading prediction of spray impingement to piston and the cylinder walls resulting in an error in unburnt hydrocarbons concentration as well as the engine efficiency estimation.