Αριθμητική προσομοίωση της διείσδυσης καυσίμου σε θάλαμο καύσης με μεθόδους υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. - Σαλωνίδου, Σύλβια (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών, 2014)
Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η αριθμητική πρόβλεψη της διείσδυσης αερίου καυσίμου σε θάλαμο καύσης συναρτήσει του χρόνου. Οι συνθήκες που επικρατούν στο χωρίο επίλυσης προσομοιάζουν με αυτές σε έναν κινητήρα diesel λίγο πριν την ανάφλεξη. Αρχικά στο θάλαμο καύσης υπάρχει μόνο αέρας υπό πίεση που είναι αρκετά θερμός ώστε να μπορεί να προκληθεί ανάφλεξη με την είσοδο του καυσίμου. Το αέριο καύσιμο εισέρχεται στο θάλαμο δια μέσου ενός ακροφυσίου. Η ανάμιξη του καυσίμου με τον αέρα αποτελεί τον πιο σημαντικό παράγοντα σχετιζόμενο με την καύση και τις εκπομπές καυσαερίων σε έναν κινητήρα τύπου diesel. Για το λόγο αυτό βασικός σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η εύρεση της κατανομής της συγκέντρωσης στο πεδίο ροής για διάφορες χρονικές στιγμές και για συνολικό χρόνο 10ms, ούτως ώστε να υπάρξει μία εκτίμηση της ανάμειξης του καυσίμου με τον αέρα. Ο χρόνος αυτός επιλέγεται να είναι μικρότερος του χρόνου που απαιτείται για την ανάφλεξη του καυσίμου. Το υπολογιστικό χωρίο είναι δισδιάστατο και γίνεται χρήση κυλινδρικών συντεταγμένων. Το συνολικό μήκος του κατά την αξονική διεύθυνση είναι 200mm και κατά την ακτινική 50mm. Η αριθμητική προσομοίωση είναι ένας πιο αποτελεσματικός τρόπος περιγραφής του φαινομένου αυτού σε σχέση με τον πειραματικό. Μεγάλος αριθμός παραμέτρων μπορεί με ιδιαίτερη ευκολία να μεταβληθεί και να βρεθεί η επίδραση τους. Για τον παραπάνω λόγο μελετάται επιπλέον η επίδραση παραμέτρων, όπως η πυκνότητα και το μήκος της διαμέτρου του στομίου στο ακροφύσιο, στην εισχώρηση στο θάλαμο καύσης. Οι υπολογισμοί διεξάγονται για τέσσερα διαφορετικά σενάρια. Χρησιμοποιούνται δύο διαφορετικά αέρια καύσιμα, το μεθάνιο και το προπάνιο, καθώς και δύο διαφορετικές διάμετροι οπής του ακροφυσίου. Το προτεινόμενο μαθηματικό μοντέλο προσομοίωσης βασίζεται στις μερικές διαφορικές εξισώσεις που διέπουν τη μη μόνιμη, τυρβώδη, αξονοσυμμετρική ροή. Το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση της τύρβης στο πεδίο ροής είναι το standard k~ε. Η αριθμητική μέθοδος που χρησιμοποιείται είναι η μέθοδος των πεπερασμένων όγκων ελέγχου. Για την προσομοίωση χρησιμοποιείται το εμπορικό πακέτο PHOENICS, έκδοση 3.6.1, της εταιρείας CHAM ltd. Για τη μοντελοποίηση της ροής εφαρμόζεται δομημένο αλλά ανομοιόμορφο πλέγμα, το οποίο είναι πυκνότερο στις υποπεριοχές πλησίον της αρχής των αξόνων όπου έχει τοποθετηθεί και η είσοδος του καυσίμου. Επειδή το προς επίλυση πρόβλημα είναι χρονικά μεταβαλλόμενο, με σκοπό την επιβεβαίωση της ακρίβειας της λύσης, διεξήχθησαν μελέτες ανεξαρτησίας της λύσης από τη χρονική και από τη χωρική διακριτοποίηση. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι ο βαθμός εισχώρησης του αερίου καυσίμου στο θάλαμο εξαρτάται από την πυκνότητα του αερίου, τη διάμετρο της οπής του ακροφυσίου και φυσικά το χρόνο, εάν η ταχύτητα εξόδου από το ακροφύσιο παραμείνει σταθερή.