Advanced heat transfer modelling with application to internal combustion engine CFD simulations

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Licentiate thesis

Authors

Date

2011

Department

Energiatekniikan laitos

Major/Subject

Polttomoottoritekniikka

Mcode

Kul-14

Degree programme

Language

en

Pages

91 s. + liitt.

Series

Abstract

At present, majority of the detailed modelling related to engine performance, gas flow, combustion, and emissions is performed with Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. The Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) turbulence models are most widely utilized due to turbulent flow conditions, complex geometries, and complicated sub models. Although Large Eddy Simulation (LES) and Direct Numerical Simulation (DNS) are more accurate than RANS models, their application in engineering simulations is often limited due to high computational costs. Available heat transfer modelling options utilized with RANS turbulence models comply poorly with engine flows. They are either completely inadequate for the particular flow conditions, or their validity requirements may multiply the problem size and computational costs. The work in this thesis concentrates on development of an accurate, engine flow compliant heat transfer I near wall modelling formalism within RANS framework. The model development yields reformulation of the whole near wall treatment, intrinsically improving the entire near wall accuracy of utilized turbulence models. Furthermore, the developed models are universal and by no means restricted to engine simulations alone. This thesis comprises a survey of the research field and three attached original publications. The first publication presents numerical wall function formalism designed to include effects of strong temperature gradient induced density variation on wall heat and momentum transfer models. The objective was to study conjugate heat transfer from charge gas to piston material in order to get estimates for piston surface temperatures and heat loss. The results indicated that the near wall density variation has a significant effect on peak surface temperature and overall heat transfer predictions. The following research indicated that the temperature gradient induced variations of charge gas viscosity, conductivity, and heat capacity affect the heat transfer prediction as well. Furthermore, this new formalism facilitates rigorous computation of the turbulence model source terms in the near wall region. These source terms affect the near wall turbulence level, strongly coupled with the heat and momentum transfer models. Following these ideas in two subsequent publications, advanced models were developed and implemented. A commercial CFD software, Star-CD, extensively utilized in internal combustion engine CFD simulations, was used as a primary platform for model development and simulations. In addition, an in-house CFD solver was programmed for model testing and validation. This thesis contributes to the research field by providing a comprehensive theoretical approach to heat transfer related near wall modelling within RANS framework and complete theory based models directly applicable to engineering CFD simulations.

Polttomoottoreiden suorituskyvyn, kaasunvaihdon, palotapahtuman ja päästöjen yksityiskohtaiseen mallinnukseen käytetään nykyisin pääasiassa laskennallista virtausmekaniikkaa (CFD). Johtuen turbulentista virtauksesta, monimutkaisista alimalleja ja geometrioista, mallinnuksessa käytetään yleisimmin Reynoldsin keskiarvoistettuja (RANS) turbulenssimalleja. Vaikka suurten pyörteiden simulointi (LES) ja suora numeerinen simulointi (DNS) ovat RANS-turbulenssimalleja tarkempia, niiden laskennallinen raskaus rajoittaa käyttöä insinöörityössä. Yleisesti käytettävissä olevat RANS-lämmönsiirtomallit soveltuvat huonosti moottorivirtausten simulointiin. Osa näistä malleista ei sovellu lainkaan moottoreissa vallitseviin virtausolosuhteisiin ja osa moninkertaistaa laskentaongelman koon ja laskenta-ajan toimiakseen oikein. Tämä lisensiaattityö keskittyy tarkkojen, moottorivirtauksiin soveltuvien lämmönsiirto- ja seinämämallien kehitykseen RANS turbulenssimallien puitteissa. Mallien kehitys tuottaa koko seinämäkäsittelylle uuden formuloinnin, joka olennaisesti parantaa käytettyjen turbulenssimallien tarkkuutta seinämillä. Kehitetyt mallit ovat varsin yleispäteviä, eikä niiden käyttökelpoisuus rajoitu pelkästään moottoreiden simulointiin. Lisensiaattityö sisältää yleiskatsauksen tutkimusalueeseen sekä liitteenä kolme alkuperäisjulkaisua. Ensimmäinen julkaisu esittelee numeerisen seinämäfunktio-formalismin, joka huomioi suuresta lämpötilagradientista johtuvien tiheysmuutosten vaikutukset lämmönsiirto- ja kitkamalleihin seinämillä. Tavoitteena oli tutkia konjugoitua lämmönsiirtoa täytöskaasusta mäntään ja täten arvioida männän pintalämpötiloja ja lämpöhäviöitä. Tulosten perusteella tiheysmuutokset seinamien läheisyydessä vaikuttavat merkittävästi lämmönsiirron ja pintalämpötilojen ennusteisiin. Jatkotutkimusten perusteella suuren lämpötilagradientin aiheuttamat muutokset myös kaasun viskositeetissa, lämmönjohtavuudessa ja ominaislämpökapasiteetissa vaikuttavat lämmönsiirtoennusteisiin. Uusi formalismi mahdollistaa myös turbulenssimallin lähdetermien tarkan laskennan seinämien lähellä. Nämä lähdetermit vaikuttavat seinämien läheiseen turbulenssitasoon, josta on vahva takaisinkytkentä lämmönsiirto- ja kitkamalleihin. Kahdessa seuraavassa julkaisussa kehitettiin ja implementoitiin edistyksellisiä malleja näiden ideoiden pohjalta. Mallikehityksen alustana ja simuloinneissa käytettiin ensisijaisesti kaupallista CFD-ohjelmistoa, Star-CD, joka on laajasti käytetty työkalu polttomoottoreiden CFD-simuloinneissa. Lisäksi ohjelmoitiin oma CFD-ratkaisija mallien testaukseen ja validointiin. Tämä lisensiaattityö edistää tutkimusalaa esittäen kattavan teoreettisen lähestymistavan lämmönsiirtoon liittyvään seinämämallinnukseen RANS-turbulenssimallien puitteissa sekä valmiita teoriapohjaisia malleja, jotka soveltuvat sellaisenaan CFD-simulointiin insinöörityössä.

Description

Supervisor

Larmi, Martti

Thesis advisor

Kaario, Ossi

Keywords

heat transfer, CFD, internal combustion engine, lämmönsiirto, turbulence models, polttomoottori, wall functions, turbulenssimalli, seinämäfunktio

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202104156063

Collections

[lic] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG