TCC-III Engine Benchmark for Large-Eddy Simulation of IC Engine Flows

Benchmark de moteur de référence TCC-III pour la simulation aux grandes échelles (Large-Eddy Simulations, LES) de l’écoulement dans les moteurs à combustion interne

¹ University of Michigan, 1231 Beal Ave, 2045 Auto Lab, Ann Arbor, MI 48109 – USA
² Propulsion Systems Research Lab, GM Global R&D – Warren, MI – USA
e-mail: pschiffm@umich.edu – 108.saurabh@gmail.com – dreuss@umich.edu – vsick@umich.edu – xiaofeng.yang@gm.com – tang-wei.kuo@gm.com

^* Corresponding author

Abstract

A collaborative effort is described to benchmark the TCC-III engine, and to illustrate the application of this data for the evaluation of sub-grid scale models and valve simulation details on the fidelity of Large-Eddy Simulations (LES). The TCC-III is a spark ignition 4-stroke 2-valve engine with a flat head and piston and is equipped with a full quartz liner for maximum optical access that allows high-speed flow measurements with Particle Image Velocimetry (PIV); the TCC-III has new valve seats and a modified intake-system compared to previous configurations. This work is an extension of a previous study at an engine speed of 800 RPM and an intake manifold pressure (MAP) of 95 kPa, where a one-equation eddy viscosity LES model yielded accurate qualitative and quantitative predictions of ensemble averaged mean and RMS velocities during the intake and compression stroke. Here, experimental data were acquired with parametric variation of engine speed and intake manifold absolute pressure to assess the capability of LES models over a range of operating conditions of practical relevance. This paper focuses on the repeatability and accuracy of the measured PIV data, acquired at 1 300 RPM, at two different MAP (95 kPa and 40 kPa), and imaged at multiple data planes and crank angles. Two examples are provided, illustrating the application of this data to LES model development. In one example, the experimental data are used to distinguish between the efficacies of a one-equation eddy viscosity model versus a dynamic structure one-equation model for the sub-grid stresses. The second example addresses the effects of numerical intake-valve opening strategy and local mesh refinement in the valve curtain.

Résumé

Un projet collaboratif est décrit, visant à caractériser le moteur TCC-III et à illustrer l’application de ces données pour l’évaluation de modèles de sous-maille et des détails de simulation des soupapes sur la fidélité de simulations aux grandes échelles. Le TCC-III est un moteur à allumage commandé 4 temps à deux soupapes et à culasse et piston plats, et il est équipé d’un cylindre en quartz donnant un accès optique maximal qui permet des mesures par vélocimétrie par image de particules (Particle Image Velocimetry, PIV) rapide ; le TCC-III présente de nouveaux sièges de soupapes et un système d’admission modifié par rapport aux configurations précédentes. Le présent travail représente une extension d’une étude précédente à un régime moteur de 800 tr/mn et à une pression de collecteur d’admission de 95 kPa, pour laquelle un modèle LES de viscosité turbulente à une équation avait donné des prédictions qualitatives et quantitatives précises de la moyenne d’ensemble du champ de vitesse et de sa fluctuation pendant l’admission et la phase de compression. Dans le présent travail, les mesures expérimentales ont été acquises avec une variation paramétrique du régime moteur et de la pression absolue du collecteur d’admission, afin d’évaluer la capacité des modèles LES sur une gamme de conditions opératoires d’intérêt pratique. Le présent article met l’accent sur la répétabilité et la précision des mesures PIV, acquises à 1 300 tr/mn, à deux pressions collecteur admission différentes (95 kPa et 40 kPa), et réalisées dans plusieurs plans de visualisation et à différents angles vilebrequin. Deux exemples sont fournis, illustrant l’application de ces données au développement du modèle LES. Dans un exemple, les données expérimentales sont utilisées pour distinguer les efficacités d’un modèle de viscosité turbulente à une équation par rapport à un modèle de structure dynamique à une équation pour les contraintes sous-maille. Le second exemple traite des effets de la stratégie numérique d’ouverture de la soupape d’admission et du raffinement de maillage local dans le rideau de soupapes.