Large-Eddy Simulation (LES) of Spray Transients: Start and End of Injection Phenomena

Simulations aux grandes échelles (Large-Eddy Simulation, LES) de transitoires de jets liquides : phénomènes de début et fin d’injection

¹ Argonne National Laboratory, Chicago, IL – USA
² University of Peru gia, 67 via G. Duranti, 06125 Perugia – Italy
e-mail: michele.battistoni@unipg.it

^* Corresponding author

Abstract

This work reports investigations on Diesel spray transients, accounting for internal nozzle flow and needle motion, and demonstrates how seamless calculations of internal flow and external jet can be accomplished in a Large-Eddy Simulation (LES) framework using an Eulerian mixture model. Sub-grid stresses are modeled with the Dynamic Structure (DS) model, a non-viscosity based one-equation LES model. Two problems are studied with high level of spatial and temporal resolution. The first one concerns an End-Of-Injection (EOI) case where gas ingestion, cavitation, and dribble formation are resolved. The second case is a Start-Of-Injection (SOI) simulation that aims at analyzing the effect of residual gas trapped inside the injector sac on spray penetration and rate of fuel injection. Simulation results are compared against experiments carried out at Argonne National Laboratory (ANL) using synchrotron X-ray. A mesh sensitivity analysis is conducted to assess the quality of the LES approach by evaluating the resolved turbulent kinetic energy budget and comparing the outcomes with a length-scale resolution index. LES of both EOI and SOI processes have been carried out on a single hole Diesel injector, providing insights in to the physics of the processes, with internal and external flow details, and linking the phenomena at the end of an injection event to those at the start of a new injection. Concerning the EOI, the model predicts ligament formation and gas ingestion, as observed experimentally, and the amount of residual gas in the nozzle sac matches with the available data. The fast dynamics of the process is described in detail. The simulation provides unique insights into the physics at the EOI. Similarly, the SOI simulation shows how gas is ejected first, and liquid fuel starts being injected with a delay. The simulation starts from a very low needle lift and is able to predict the actual Rate-Of-Injection (ROI) and jet penetration, based only on the prescribed needle motion. Finally, guidelines and future improvements of the model are discussed concerning the simulation of the transient injection phases.

Résumé

Le présent article rend compte d’études sur les transitoires de jets Diesel, prenant en compte l’écoulement interne de l’injecteur et le mouvement de l’aiguille, et démontre comment des calculs d’écoulement interne et de jet peuvent être réalisés dans le cadre d’une approche de type simulation aux grandes échelles (Large-Eddy Simulation, LES) en utilisant un modèle eulérien de mélange. Les contraintes sous-mailles sont modélisées avec un modèle de Structure Dynamique (Dynamic Structure, DS), un modèle LES à une équation non basé sur une viscosité turbulente. Deux problèmes sont étudiés avec un niveau élevé de résolution spatiale et temporelle. Le premier concerne un cas de fin d’injection (End-Of-Injection, EOI), où l’ingestion de gaz, la cavitation, et la formation de goutte à goutte sont résolues. Le second cas est une simulation de départ d’injection (Start-Of-Injection, SOI) qui vise à analyser l’effet du gaz résiduel piégé à l’intérieur du sac d’injecteur sur la pénétration du jet et le taux d’introduction de carburant. Les résultats de simulation sont comparés à des expériences réalisées à Argonne National Laboratory (ANL) en utilisant des rayons X synchrotron. Une analyse de sensibilité au maillage est réalisée pour évaluer la qualité de l’approche LES en évaluant le budget de l’énergie cinétique résolue et en comparant les résultats à l’aide d’un critère de résolution d’échelle de turbulence. Des LES de processus de fin et de début d’injection ont été réalisées sur un injecteur monotrou Diesel, donnant ainsi un aperçu de la physique des phénomènes de ces processus, avec des détails sur l’écoulement interne et externe, et liant les phénomènes de fin d’un événement d’injection à ceux du début d’une nouvelle injection. Concernant la fin d’injection, le modèle prédit la formation de ligaments et l’ingestion de gaz, comme observé expérimentalement, et la quantité de gaz résiduel dans le sac de l’injecteur est conforme aux données disponibles. La dynamique rapide du processus est décrite en détails. La simulation donne un aperçu unique de la physique en fin d’injection. De même, la simulation du début d’injection montre comment le gaz est tout d’abord éjecté et le carburant liquide commence à être injecté après un délai. La simulation débute à une levée d’aiguille très faible, et est capable de prédire le taux d’introduction (Rate-Of-Injection, ROI) effectif et la pénétration du jet, à partir de la seule prescription du mouvement de l’aiguille. Enfin, des directives et améliorations futures du modèle concernant la simulation des phases transitoires d’injection sont discutées.