LES of the Exhaust Flow in a Heavy-Duty Engine

LES de l’écoulement d’échappement dans un moteur de camion

¹ CCGEx, KTH Mechanics, 100 44 Stockholm - Sweden
² Linné Flow Centre, KTH Mechanics, 100 44 Stockholm - Sweden
e-mail: bodin@mech.kth.se - yue@mech.kth.se - mihai@mech.kth.se - lf@mech.kth.se

^⋆ Corresponding author

Abstract

The flow in the exhaust port and the exhaust manifold of a heavy-duty Diesel engine has been studied using the Large Eddy Simulation (LES) approach. Some of the flow characteristics in these components are: flow unsteadiness and separation combined with significant geometry-induced secondary flow motion. Detailed analysis of these features may add understanding which can be used to decrease the flow losses and increase the efficiency of downstream components such as turbochargers and EGR coolers. Few LES studies of the flow in these components have been conducted in the past and this, together with the complexity of the flow are the motivations for this work. This paper shows that in the exhaust port, even global parameters like total pressure losses are handled better by LES than RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes). Flow structures of the type that affect both turbine performance and EGR cooler efficiency are generated in the manifold and these are found to vary significantly during the exhaust pulse. This paper also clearly illustrates the need to make coupled simulations in order to handle the complicated boundary conditions of these gas exchange components.

Résumé

L’écoulement dans l’orifice d’échappement et le collecteur d’échappement d’un moteur Diesel poids-lourd a été étudié en utilisant l’approche de simulation des grandes échelles (LES, Large Eddy Simulation). Quelques-unes des caractéristiques de l’écoulement de ces composantes sont : l’instabilité de débit et la séparation associée à la géométrie induite par le mouvement de flux secondaire. Une analyse détaillée de ces fonctions peut aider la compréhension et être utilisée pour diminuer les pertes de débit et accroître l’efficacité des composants en aval tels que les turbocompresseurs et les refroidisseurs EGR (Exhaust Gas Recirculation). Peu d’études LES de l’écoulement dans ces composants ont été menées dans le passé ce qui avec la complexité de l’écoulement motive ce travail. Cet article montre que, dans l’orifice d’échappement, même les paramètres globaux, comme les pertes de pression totale sont mieux traités par les LES que par les RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes). Les structures d’écoulement qui affectent les performances de turbine et de l’efficience refroidisseur EGR sont générées dans le collecteur, celles-ci varient de façon significative pendant l’impulsion d’échappement. Ce document illustre aussi clairement la nécessité de faire des simulations couplées afin de traiter les conditions aux limites complexes de ces éléments d’échange de gaz.