CFD modeling of the fluid-dynamics present in the charging process of a dual-fuel (diesel-NG/diesel-hydrogen) engine

Abstract

ABSTRACT : In this work was made a CFD cold flow simulation of a dual fuel diesel-natural gas (NG)/hydrogen engine. The simulation was made aimed to characterize and understand the flow behaviour in-cylinder and the effect of a dual gaseous fuel addition to the flow patterns and the main flow values that affect how combustion process is realized in the engine. Main flow patterns as swirl and tumble were analyzed with main fuel energy share (of NG and hydrogen) as parameter. The model was realised in Ansys Workbench as pre-processor and Ansys Fluent as solver. In order to set the model, it was made a general literature review to define the models and sub-models used in internal combustion engines cold flow simulations. Then, a recompilation of most important engine data (4JH1-TC) was executed. With the engine data, a 3D solid was constructed to feed the pre-processor. Consequently, the geometry was meshed in three different meshes with the aim of capture the grid independence. After grid independence, the model was fully established and the main simulations were carry out. Results show as a trend an increasing in the flow patterns when substitution/enrichment levels were increased. An hypothetical response to this influence is the physical properties of the hydrogen and NG, gases that are lighter than the air and with higher molecular diffusivity (hydrogen), thus having bigger disorder in the motion in-cylinder enhancing the flow movement intensity. In the meanwhile study, a parallel study was carried out aiming to select the best turbulence model for the type of simulation realized (cold flow simulation). Finally, some engineering applications for the model were presented, exploring fundamental aspects of internal combustion engines for the application of the model.

RESUMEN : En el presente trabajo fue realizada una simulación CFD de flujo frio de un motor de combustión dual diésel-gas natural (NG)/hidrógeno. La simulación fue realizada con la finalidad de caracterizar y entender el comportamiento del fluido al interior del cilindro y el efecto de la adición de combustible dual gaseoso sobre los patrones de flujo y los principales valores que afectan la forma en la cual se desarrolla la combustión en el motor. Principales patrones de flujo como el swirl y el tumble fueron analizados con el combustible gaseoso como parámetro (con base de contribución energética en porcentaje). El modelo fue desarrollado en Ansys Workbench como pre-procesador y Ansys Fluent como solver. Para setear el modelo, se hizo una general revisión de la literatura de estudios de cold flow haciendo uso del CFD en motores de combustión interna. Como paso siguiente, se realizó una recopilación de las características más importantes del motor (4JH1-TC) para ser modeladas en 3D como sólidos y alimentar el software con dicha información. Después de tener la geometría modelada, el proceso de mallado fue realizado, tomando tres mallas para la ejecución de la independencia del mallado. Al obtener la independencia del mallado, el modelo fue preparado para la realización de las simulaciones principales. Al analizar los resultados de computo, se encuentra una tendencia de crecimiento en los valores de los patrones de flujo a medida que el porcentaje de sustitución/enriquecimiento fue incrementado. Una hipotética respuesta a este comportamiento es la influencia de las propiedades termofísicas de los combustibles gaseosos, los cuales son más livianos que el aire y, en el caso del hidrógeno, más difusivo, provocando así movimientos más desordenados en el flujo aumentando la intensidad del movimiento del fluido al interior del cilindro. Al mismo tiempo en que las principales simulaciones se realizaban, un estudio paralelo fue llevado a cabo para analizar el efecto del modelo de turbulencia sobre los resultados que se obtienen en simulaciones de flujo frío en motores de combustión interna. Finalmente, aplicaciones ingenieriles fueron mostradas con las cuales el modelo realizado puede ser aprovechado en futuros trabajos.