Large-Eddy Simulation of Diesel Spray Combustion with Exhaust Gas Recirculation

Simulation aux grandes échelles de la combustion d’un spray Diesel pour différents taux d’EGR

¹ IFP Energies nouvelles, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France
² École Centrale Paris, Grande Voie des Vignes, 92295 Châtenay-Malabry Cedex - France
³ Mechanical Engineering, Eindhoven University of Technology, Den Dolech 2, 5612 AZ Eindhoven - The Netherlands
e-mail: julien.tillou@ifpen.fr-jean - baptiste.michel@ifpen.fr - christian.angelberger@ifpen.fr - c.bekdemir@tue.nl - denis.veynante@ecp.fr

^⋆ Corresponding author

Abstract

A Large-Eddy Simulation (LES) study of the transient combustion in the spray H experiment investigated in the frame of the Engine Combustion Network (ECN) is presented. Combustion is modeled using a LES formulation of the ADF-PCM approach, the principle of which is to tabulate approximated diffusion flames based on the flamelet equation to account for complex chemical effects. The liquid phase is resolved with an Eulerian mesoscopic approach coupled with the DITurBC model for the injection.

The structure of the combustion resulting from the n-heptane liquid fuel jet is investigated and compared to the literature. A very good reproduction of experimental findings by the presented LES approach is reported for small EGR rates. Albeit the qualitative effect of increasing the EGR rate is captured, the quantitative quality of the LES predictions deteriorates with increasing EGR rate. One possible explanation for this poor reproduction of EGR effects might be related to the fact that the used semi-detailed scheme was not validated for high EGR rates.

Résumé

La simulation aux grandes échelles (LES Large Eddy Simulations) de la combustion est appliquée à l’expérience du spray H réalisée dans le cadre de l’ECN (Engine Combustion Network). Le modèle ADF-PCM, dont le principe repose sur la résolution de flammelettes approchées, a été adapté à la LES de façon à simuler la combustion dans cette étude. Les effets chimiques complexes peuvent ainsi être pris en compte. La résolution de la phase liquide est réalisée via une approche mésoscopique Eulérienne couplée au modèle DITurBC pour l’injection.

La structure de la combustion résultant du jet de carburant est étudiée puis comparée avec les observations expérimentales. Les résultats obtenus pour de faibles taux de gaz recirculants (EGR : Exhaust Gas Recirculation) reproduisent de façon très fidèle ceux de l’expérience. Bien que l’effet de l’ajout d’EGR soit qualitativement reproduit, les prédictions obtenues par la LES se détériorent avec le taux d’EGR. L’utilisation d’un schéma cinétique validé uniquement pour de faibles taux d’EGR est une explication possible de la mauvaise reproduction des effets de forts taux d’EGR.