LES of Gas Exchange in IC Engines

LES échanges gazeux pour moteurs à combustion interne

¹ Dept of Mechanical Engineering, Stanford University, CA 94089 - USA
² Dept of Mechanical Engineering, Sogang University - Korea
³ Robert Bosch Research and Technology Center, Palo Alto - USA
⁴ Institute for Combustion Technology, RWTH University, Ternplergraben, Aachen - Germany
e-mail: mittall@stanford .edu - skang@sogang.ac.kr - eric.doran@us.bosch.com - David.Cook2@us.bosch.com - h.pitsch@itv.rwthaachen.de

^⋆ Corresponding author

Abstract

As engine technologies become increasingly complex and engines are driven to new operating points, understanding transient phenomena is important to ensure reliable engine operation. Unlike Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) studies that only provide cycle-averaged information, Large Eddy Simulation (LES) studies are capable of simulating cycle-to-cycle dynamics. In this work, a finite difference based structured methodology for LES of IC engines is presented. This structured approach allows for an efficient mesh generation process and provides potential for higher order numerical accuracy. An efficient parallel scalable block decomposition is done to overcome the challenges associated with the low ratio of fluid elements to overall mesh elements. The motion of the valves and piston is handled using a dynamic cell blanking approach and the Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) method, respectively. Modified three-dimensional Navier-Stokes Characteristic Boundary Conditions (NSCBC) are used in the simulation to prescribe conditions in the manifolds. The accuracy of the simulation framework is validated using various canonical configurations. Flow bench simulations of an axisymmetric configuration and an actual engine geometry are done with the LES methodology. Simulations of the gas exchange in an engine under motored conditions are also performed. Overall, good agreement is obtained with experiments for all the cases. Therefore, this framework can be used for LES of engine simulations. In the future, reactive LES simulations will be performed using this framework.

Résumé

Du fait de la complexité croissante des technologies moteurs et de l’augmentation des points de fonctionnement, il est devenu important de bien comprendre les phénomènes transitoires afin de garantir un fonctionnement stable. Contrairement à la modélisation dite Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) qui ne fournit qu’une information moyennée sur un cycle, la modélisation dite Large Eddy Simulation (LES) est capable de simuler les variations cycle à cycle. Ce travail s’appuie ainsi sur une méthodologie LES pour moteur à combustion interne, développée dans une approche de type différences finies. L’approche structurée des algorithmes permet un processus de génération de maillages efficace et pose un cadre favorable pour des méthodes numériques d’ordre supérieure. Une décomposition en blocs paralléles qui est efficace et adaptable résout la difficulté associée au faible rapport d’éléments fluides sur le nombre total d’éléments. Les mouvements des valves et du piston sont gérés respectivement par une approche de découpage de cellules et par la méthode Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE). Les conditions dans les collecteurs sont prescrites en utilisant une méthode Navier-Stokes Characteristic Boundary Conditions (NSCBC) modifiée. La précision de ce solveur est validée sur des configurations canoniques. Des simulations de flow bench sur une configuration axisymétrique et dans un véritable moteur sont effectuées avec l’approche LES. De plus, les échanges gazeux en condition moteur sont simulés. Dans l’ensemble, l’accord obtenu entre simulations et expériences est bon. Aussi ce cadre peut-il être utilisé pour des calculs moteur, et en particulier des simulations d’écoulements réactifs en LES seront conduites à l’avenir.