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1
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
STAR Japanese Conference 2016 (2016.6.9)
同志社大学 「エネルギー変換研究センター」
理工学部 機械系工学科 「噴霧・燃焼工学研究室」
千田二郎・松村恵理子
1. 当研究室でのモデリング研究の概要
2. CD-adapco 様との連携
3.ディーゼル噴霧の新たな微粒化モデルの提案
4.ガソリン噴霧の新たな微粒化モデルの提案
エンジンスプレーの分裂モデルの最適化
Optimization of Breakup Model in Engine Sprays
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
1.ディーゼル噴霧解析の取り組み
0
20
40
60
80
1000
20
40
60
80
1000
20
40
60
80
100
Ax
ial
dis
tan
ce f
rom
no
zzle
tip
[m
m]
0
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
1000
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
1000
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
Ax
ial
dis
tan
ce f
rom
no
zzle
tip
[m
m]
C5 C13
LIF Calculation
多成分蒸発噴霧解析
Senda(Iclass-2003)
*SMAC-壁面衝突液滴解析(1981),振動圧力場のキャビ気泡解析(1983)
1 キャビテーション気泡群を考慮したディーゼル燃料噴射系解析(1990;千田)
2 噴霧-壁面干渉モデル(1993~;千田)
3 減圧沸騰噴霧モデル(0次元)(1993;千田)
4 多成分燃料の気液平衡推算モデル(0次元)
(1993~;柴田・千田)
5.修正TAB分裂モデル(1996 ;段・千田)
6 離散渦法を併用した噴霧解析(1996 ;段・千田)
7 多成分燃料蒸発モデル(多次元)(2000 ~;川野・千田)
8 壁面衝突モデルー多成分燃料対応
(2001;千田)と統合モデル(2002;松田・千田)
9 化学反応動力学(CHEMKIN)適用すす生成モデル
(2002~;北村・千田)
10 Chem-KIVA(2003~;伊藤・千田)
11 減圧沸騰噴霧モデル(多次元)(2004~)(川野・千田)
12 Large Eddy Simulation(LES)
(2005~;堀・千田→現在=分裂モデル;北口・藤井・千田)
13 ノズル内キャビテーションモデル
(2006~;和田・千田→現在;松本・千田・松村)
14 現象論的1次元多成分噴霧モデル(MBC適用)(2011~;松本・千田)
2
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
2. 株式会社CD-adapco様との連携
1.STAR Japanese Conferenceでの講演 *2013.5-「壁面に衝突する燃料噴霧のモデリング」-千田 *2013.12-「減圧沸騰噴霧の特性とモデリング 」-松村 *2015.6-「多成分燃料噴霧の蒸発過程のモデル解析 」-千田
2.Star-CDへの同志社大学モデル実装の取組み *2013.5~壁面衝突モデルを実装
*現在、減圧沸騰噴霧モデルの適用を実施中
*今後、多成分燃料の蒸発モデル、噴霧微粒化ハイブリッドモデル
およびキャビテーションモデルの適用を検討予定
3.モデル組込みの連携 *2014.7~直噴ガソリン機関用マルチホールノズルの噴霧解析
*2015.1~液膜噴霧の分裂過程にLISAモデルを適用(AICE)
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
3.ディーゼル噴霧の新たな微粒化モデルの提案
3-1.噴霧の分裂・微粒化モデル
3-2.改良TAB(MTAB)モデル
3-3.WAVE-MTABハイブリッドモデルによる
ディーゼル噴霧の解析例
3
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
分裂形態についての文献調査
0 < We < 11 Vibration breakup
80 < We < 350 Sheet-thinning breakup
We > 350 Catastrophic breakup
35 < We < 80 Multimode breakup
11 < We < 35 Bag breakup
D.R.Guildenbecher,C.López-Rivera, P.E.Sojka, “Droplet Deformation and Breakup”, Handbook of Atomization and Sprays, Chapter 6, pp145-156,(2011).
0 < We < 12 Vibration breakup
12 < We < 20 Bag breakup
20 < We < 80 Multimode breakup
80 < We < 800 Stripping breakup
We > 800 Catastrophic breakup
G.M.Faeth, L.-P.Hsiang, P.-K. Wu, “Structure and breakup properties of sprays”, International Journal of Multiphase Flow vol.21, (1995),pp.99-127
(C.A.Chryssakis,D.N.Assanis,and F.X.Tanner, “Atomization Models”, Handbook of Atomization and Sprays, Chapter 9, pp.215-231,(2011).)
4
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
KH model
RT model
液滴表面に働く周囲気体との速度差に起因するKelvin-Helmholtzの不安定性による分裂現象をモデル化
液相と気相との密度差に起因するRayleigh-
Taylorの不安定性による分裂現象をモデル化
Breakup model (KH-RT model )
KH model RT model
KH-RT model
STAR-CDでは粒径の大きさで切り換え
3 RTD C
: 最速で成長するRT波の波長 RT
のときRT model に切り替え
KHモデルとRTモデルのハイブリッドモデル
: 分裂前の液滴径 D
: 実験定数 3C
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
3.ディーゼル噴霧の新たな微粒化モデルの提案
3-1.噴霧の分裂・微粒化モデル
3-2.改良TAB(MTAB)モデル
3-3.WAVE-MTABハイブリッドモデルによる
ディーゼル噴霧の解析例
5
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
TAB model 液滴の振動による分裂をバネ振動系に置き換えて誘導した相似則に基づく分裂現象をモデル化
x
F
m
d k x
r
Ur
y
(dw
/w)=
(dc
2)
c2
f=2 (Original model)
f=4
f=6 (ディーゼル噴霧への最適化/千田)
f=10
f=12(抜山・棚沢らの粒径分布)
Breakup model(MTAB model)
32 328 6 5
120 120
d
rr
rK Ky
y :液滴変形速度 σ : 表面張力
ρd : 液滴の密度
K : 実験定数
r32 : 分裂後のザウタ平均粒径
r : 分裂前の液滴径
低圧噴霧へ適用するため 抜山・棚沢らの分布関数を用いる
MTAB (Modified Taylor Analogy Breakup) model
K=10/3, f =2 K=8/9, f =6
分裂後のザウタ平均粒径を基準に
カイ二乗分布の確率密度関数を与える
実験定数Kおよび自由度φの値によって決まる
ディーゼル噴霧において粒径を過小評価
Ref. J.Senda,T.Dan,S.Takagishi,T.Kaanda,
H,Fujimoto,Proceeding of ICLASS,1997
Ref. P.J.O’Roke, A.Amsde, SAE Paper , 872089, 1987
K=1.35, f =12
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6
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7
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
旧ハイブリッド分裂モデル-分裂長さ基準 (WAVE-MTABモデル)
m1 m2
v1 v2 分裂モデルの改良
TABモデル 分裂後の半径方向への速度付加
v b pv C C r y 1vC
0.5bC
実験との比較
分裂後の左右の液滴質量が等しい
分裂後の液滴質量を考慮
3 3
3
p c
b
p
r rC
r
ハイブリット手法
0 ,f
b L
a
L C d
分裂長さはLevich理論により定義
5LC
分裂長さ以下
分裂長さ以上
WAVEモデル
MTABモデル
WAVE MTAB
分裂長さ 実験定数 B0=0.61 B1=5.0 CRT=0.1 C =1.0
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◆ハイブリット手法
0
f
b L
a
L C d
◆抗力係数
MTABモデルでは液滴の歪み度を考慮したLiuらの式を適用
, (1 2.632 )d d sphereC C y= +y
噴霧の分裂長さはLevich理論により定義
分裂長さ以下
ウェーバー数450以上
分裂長さ以上
ウェーバー数450以下
KHモデル
MTABモデル
◆分裂後の液滴の半径方向への速度付加 (MTABモデル)
1vC
0.5bC
実験との比較
分裂後の左右の液滴質量が等しい
⇒分裂前の液滴質量の半分にならない
分裂後の液滴質量を考慮する必要あり
分裂後の液滴粒径:カイ二乗分布により決定 3 3
3
p c
b
p
r rC
r
液滴のウェーバー数は以下の式により定義
2
a r pU dWe
改良前
改良後
m1 m2
v1 v2
v b pv C C r y
旧ハイブリッド分裂モデル-We(l)基準 (WAVE-MTABモデル)
8
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
3.ディーゼル噴霧の新たな微粒化モデルの提案
3-1.噴霧の分裂・微粒化モデル
3-2.改良TAB(MTAB)モデル
3-3.WAVE-MTABハイブリッドモデルによる
ディーゼル噴霧の解析例
*Weber数と粒径分布
*他の分裂モデルとの比較
*蒸発噴霧の計算精度の検証
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
WAVE-MTABモデル
速度差による不安定性に起因した
一次分裂 二次分裂 本研究室では、分裂現象に対応するWAVE-MTABモデルを開発してきた
本研究室で開発したWAVE-MTABモデル
分裂をモデル化したWAVEモデル
外力による液滴の変形に起因した
分裂をモデル化したMTABモデル
液滴の分裂の整理に用いられる無次元数であるWeber数により切り替える
従来までのWAVE-MTABモデルの切り替えに使用したWeber数
ディーゼル噴霧におけるWeber数について
一次分裂 二次分裂
高Weber数領域 低Weber数領域
2
d r p
l
U dWe
Wel:ウェーバー数
ρd:液滴の密度
Ur:液滴と気相の相対速度
dp:液滴の直径
σ:表面張力
2
g r p
g
U dWe
Weg:ウェーバー数
ρg:周囲気体の密度
Ur:液滴と気相の相対速度
dp:液滴の直径
σ:表面張力
周囲気体の密度を使用したWeber数を用いることが最適
WAVE-MTABモデルにおける
最適な切り替え手法の提案
9
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
Weber number [-]
80 35
Pro
babili
ty o
f M
TA
B m
odel [%
]
100
0
MTAB model is used
in a probability of 100%
Multi mode Bag breakup
Non breakup
MTAB model WAVE model
Non breakup
12
MTAB or WAVE model (Linear probability)
WAVE model is used
in a probability of 100%
WAVE-MTABモデルの概念図
0
Stripping breakup
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Nozzle hole diameter [mm] 0.20
Injection pressure [MPa] 99
Injection duration [ms] 1.30
Test fuel C13H28
Injection fuel amount [mg] 12.0
Fuel temperature [K] 300
Ambient pressure [MPa] 1.5
Ambient density [kg/m3] 17.3
Ambient gas N2
Ambient temperature [K] 300 Ta
Pa
Pinj
tinj
mf
dn
Tf
ρa
Weber数と粒径分布による検証のための
非蒸発噴霧の計算条件
同志社において過去に行われた非蒸発噴霧実験の条件
10
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噴射初期に投入されたパーセルの
Weber数の時間変化とノズルからの距離
・ 分裂長さより5mm程度パーセルが移動してから 分裂モデルが切り替わる.
0.01 0.1 1 1
10
100
Sp
ray t
ip p
enetr
ation [
mm
]
Time after start of injection [ms] ・ 物理現象とモデルの切り替えが定性的一致する
B0=0.61
B1=20
(a)Temporal change in weber number
0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.20 0.21 0.22 0.23 0.240
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
W
eber
num
ber
[-]
Time after start of injection [ms]
parcel number 1 parcel number 6 parcel number 2 parcel number 7 parcel number 3 parcel number 8 parcel number 4 parcel number 9 parcel number 5 parcel number 10
(b)Temporal change in parcel distance from nozzle
0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.20 0.21 0.22 0.23 0.2416
18
20
22
24
26
28
30
32
34
Dis
tanc
e from
noz
zle
orifi
ce [m
m]
Time after start of injection [ms]
parcel number 1 parcel number 6 parcel number 2 parcel number 7 parcel number 3 parcel number 8 parcel number 4 parcel number 9 parcel number 5 parcel number 10
・ MTABモデルが使用されるWeber数以下になる のは噴射開始後0.18ms頃
・ 噴射開始後0.18msのときのパーセルのノズルか ら噴霧軸方向の距離は25mm付近
・ 分裂長さは20mm付近
0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.20 0.21 0.22 0.23 0.24 0.2516
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
Dis
tanc
e from
noz
zle
orifi
ce [m
m]
Time after start of injection [ms]
Parcel Number 1 6 2 7 3 8 4 9 5 10
0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.20 0.21 0.22 0.23 0.24 0.2516
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
Dis
tanc
e from
noz
zle
orifi
ce [m
m]
Time after start of injection [ms]
Parcel Number 1 6 2 7 3 8 4 9 5 10
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
t/tinj=2における噴霧全体の粒径分布と
自由度12のχ2分布
exp( )dn
Ax Bx dxn
抜山・棚沢の分布関数
2( 4)f
自由度Φのχ2分布 ディーゼル噴霧の粒径はα=2,β=1で整理できる
12f
n x , ,A ,B:粒数 :粒径 :定数 f :χ2分布の自由度
(MTABモデルにおいて分裂後の
液滴径の決定に用いられる)
B0=0.61
B1=20 0 10 20 30
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
Droplet diameter [μm]
PD
F(P
robabili
ty D
ensity F
unction)
[-] Chi-square distribution
(Φ=12)
WAVE-MTAB model
11
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
Nozzle hole diameter [mm] 0.20
Injection pressure [MPa] 55,77,99
Injection duration [ms] 1.77,1.42,1.30
Test fuel C13H28
Injection fuel amount [mg] 12.0
Fuel temperature [K] 300
Ambient pressure [MPa] 1.5
Ambient density [kg/m3] 17.3
Ambient gas N2
Ambient temperature [K] 300 Ta
Pa
Pinj
tinj
mf
dn
Tf
ρa
Breakup model WAVE-MTAB model (Weg)
Pre-WAVE-MTAB model (Wel)
KH-RT model
他の分裂モデルとの比較を行うための
非蒸発噴霧の計算条件
※Pre-WAVE-MTAB model (Wel)は液滴の密度を考慮したWe数を用い,We数450を境界として切り替えを行う.
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
~ 非蒸発噴霧 ~
噴霧画像(噴射終了時)
WAVE-MTAB model (Weg) Pre-WAVE-MTAB model (Wel)
KH-RT model Exp.
B0=0.61
B1=25
12
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
~ 非蒸発噴霧 ~
噴霧先端到達距離
0
20
40
60
80
100
Spra
y tip p
enetr
ation [
mm
]
0 1.0 2.0 0.5 1.5 Time after start of injection [ms]
0
20
40
60
80
100
Spra
y tip p
enetr
ation [
mm
]
0 1.0 2.0 0.5 1.5 Time after start of injection [ms]
Pinj=99MPa (LES)
Pinj=77MPa (LES)
Pinj=55MPa (LES)
Pinj=99MPa (Exp.)
Pinj=77MPa (Exp.)
Pinj=55MPa (Exp.)
0
20
40
60
80
100
Spra
y tip p
enetr
ation [
mm
]
0 1.0 2.0 0.5 1.5 Time after start of injection [ms]
KH-RT
WAVE-MTAB (Weg)
Pre-WAVE-MTAB (Wel)
B0=0.61
B1=25
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
0 20 40 60 80 100 0
50
100
150
200
Dro
ple
t dia
mete
r [μ
m]
0 20 40 60 80 100 0
50
100
150
200
Dro
ple
t dia
mete
r [μ
m]
0 20 40 60 80 100 0
50
100
150
200
Distance from nozzle [mm]
Dro
ple
t dia
mete
r [μ
m]
KH-RT model
WAVE-MTAB model (Weg)
Pre-WAVE-MTAB model (Wel)
Distance from nozzle [mm] Distance from nozzle [mm]
0 5 10 15 20 25 30
Droplet diameter [μm]
PD
F(P
rob
ab
ility
De
nsity F
un
ctio
n)
[-]
0
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.30 WAVE-MTAB model
Pre-WAVE-MTAB model
KH-RT model
~ 非蒸発噴霧 ~
粒径の噴霧軸方向分布
t / tinj = 1
B0=0.61
B1=25
13
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
Nozzle hole diameter [mm] 0.09
Injection pressure [MPa] 150
Injection duration [ms] 1.5
Test fuel
Injection fuel amount [mg] 3.46
Fuel temperature [K] 363
Ambient pressure [MPa] 6.05
Ambient density
Ambient gas
Ambient temperature [K] 900 Ta
Pa
Pinj
tinj
mf
dn
Tf
C12H26
N2(89.71%), CO2(6.52%), H2O(3.77%)
[kg/m3] 22.8
Breakup model WAVE-MTAB model (Weg)
KH-RT model
ρa
蒸発噴霧の計算条件
(ECN(Sandia)のSprayA) http://www.sandia.gov/ecn/cvdata/targetCondition/sprayA.php
*L.M. Pickett, C. L. genzale, G. Bruneaux, L. M. Malbec, L. Hermant, C. Chirisriansen, J. Schramm, “Comparison of Diesel Spray in Different High-
Temperature, High-Pressure Facilities” SAE 2010 Powertrains Fuels & Lubricants Meeting, 2010-01-2106, (2010).
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
計算結果の検証
シャドウグラフと密度勾配の計算結果
参照URL:http://www.sandia.gov/ecn/cvdata/assets/movies/bkldaAL1movie.php
WAVE-MTAB model KH-RT model
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Dis
tance f
rom
nozzle
orifice [
mm
]
Exp.
Exp. KH-RT model WAVE-MTAB model
Spra
y tip p
enetr
ation [
mm
]
Time after start of injection [ms]
Liquid length
Vapor length
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
B0=0.61
B1=10
・液相長さは噴霧内の液相量の90%となる位置とノズルとの噴霧軸方向の距離として定義
・蒸気相長さは燃料の体積分率が0.1%の等値面を噴霧外縁とし,ノズルから噴霧軸方向に最も離れた位置とノズルとの距離と定義
14
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
噴霧画像(噴射終了時)
Similarity ratio r = 1 Similarity ratio r = 0.8
B0=0.61
B1=10
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
4-1. 直噴ガソリンエンジン用 マルチホールノズル
の噴霧解析
< KH-RT Wave Model とMTAB Model >
4-2.直噴用スワールノズルの噴霧解析
< LISA Model – MTAB ハイブリッドモデル
の適用 >
4.ガソリン噴霧の新たな微粒化モデル
の提案
15
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
実験条件(KH-RT,MTAB model)
iso-octane Test fuel
CO2 Ambient gas
Room temperature Ambient temperature Tamb[MPa]
1.22 Injection duration
8 Injection fuel amount
0.1, 0.4, 0.8 Ambient pressure Pamb[MPa]
8 Injection pressure Pinj[MPa]
Nozzle type 6-hole nozzle
1.8, 7.1, 14.2 Ambient density ρamb[kg/m3]
15
1.02 tinj[ms]
mf[mg]
Nozzle diameter 0.18 dn[mm]
Photograph timing 1.0 t/tinj[ - ]
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
解析条件
120mm
10
0m
m
injector X
Y
Z Nozzle hole positions
STAR-CD ver.4.20 CFD code
RNG k-ε model Turbulent model
PISO Solution Algorithm
KH-RT model, MTAB model Breakup model
W/O Collision model
Blobs model Atomization model
Droplet
DDM(Discrete Droplet Method) Spray model
Rigid sphere
・計算格子(円筒座標系)
格子数:60×60×100
36万メッシュ
サイズ:直径120mm
高さ100mm
16
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
0
10
20
30
40
50
60
70
80 Axia
l dis
tance f
rom
nozzle
outlet
Z [m
m]
Pamb=0.8MPa
ρamb=14.2kg/m3
Pamb=0.4MPa
ρamb=7.1kg/m3
0 10 -10 -20 0 10 -10 -20 0 10 -10 0 10 -10
Droplet diameter: 9.8-10µm 10-20µm 20-30µm 30µm-
Radial distance from nozzle tip R [mm]
撮影結果(超高解像度カメラ系)
Pinj=15MPa,Tamb=298K,t/tinj=1.0
Pamb=0.1MPa
ρamb=1.8kg/m3
0 10 -10 -20 -30 0 10 -10 -20 -30
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
20
60
80
40
0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Spra
y t
ip p
enetr
ation [
mm
]
Time after start of injection [ms]
100
MTAB
KH-RT
Exp.
Pinj=15MPa
Pamb=0.1MPa
ρamb=1.8kg/m3
Tamb=298.15K
噴霧先端到達距離の比較
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粒数頻度分布(実験結果と解析結果の比較)
MTAB
KH-RT
Exp.
Tamb=298.15K
Pamb=0.1MPa
ρamb=1.8kg/m3
Pinj=15MPa
Dro
ple
t n
um
be
r fr
eq
ue
ncy [-]
30 10 20 40 50 0
(c)30mm 0.3
0.2
0.1
0.0
0.4
(f)60mm
30 10 20 40 50 0
0.3
0.2
0.1
0.0
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0 30 10 20 40 50 0
(a)10mm 0.4
30 10 20 40 50 0
(d)40mm
0.3
0.2
0.1
0.0
0.4
30 10 20 40 50 0
(e)50mm
Droplet diameter D [μm]
0.3
0.2
0.1
0.0
0.4
30 10 20 40 50 0
(b)20mm
0.3
0.2
0.1
0.0
0.4
KH-RTは5μm付近において粒径のピークがあるが,
MTABにおいては10μm付近に粒径のピークがある.
KH-RTはディーゼル噴霧のような高圧噴霧を想定:平均粒径
MATBは分裂後の分布関数をガソリン噴霧想定に変更;平均粒径がおおよそ一致
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各モデルの噴霧画像における比較
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4-1. 直噴ガソリンエンジン用 マルチホールノズル
の噴霧解析
< KH-RT Wave Model とMTAB Model >
4-2.直噴用スワールノズルの噴霧解析
< LISA Model – MTAB ハイブリッドモデル
の適用 >
4.ガソリン噴霧の新たな微粒化モデル
の提案
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1
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/
Ambient temperature Tamb [K] Room temp.
Ambient Pressure Pamb [kPa] Atmospheric pressure
計算格子数(半径×周方向×軸方向): 150x150x200 計450万メッシュ 200mm
15
0m
m
injector
■自由噴霧解析条件 Nozzle hole
Fuel C12H26
Fuel temperature Tf [K] Room temp.
Injection pressure Pinj [MPa] 1,4
Injection quantity Qinj [mg/st] 7.5,30
Nozzle type Hollow corn-
Swirl
Nozzle diameter [mm]
0.5
◆雰囲気条件
◆噴射条件
◆ノズル緒元
Turbulent model RNG k-ε model
CFD code STAR-CD ver.4.20
Breakup model MTAB model
Atomization model LISA model
Spray model
Collision and Coalescence
DDM(Discrete Droplet Method)
Solution Algorithm PISO
W/O
スワール噴霧の実験条件および解析条件
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/
Film Formation 1
θ
δ0
h0
hb
Lb
液膜進行速度
2V
l
pU k
p :噴射差圧
2
0
4max 0.7,
cos 2
lV
l
mk
d p
vk :流量係数
U
0 0 0( )lm u d
m :単位時間当たりの質量流量
u :ノズル軸流方向速度 l :燃料密度
0d :ノズル直径
初期液膜厚さ
より算出
0
cosu U
およびノズル軸流方向速度 u
液膜の生成過程を記述
:噴霧角
LISA(Linearized Instability Sheet Atomization)model
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1
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/
LISA(Linearized Instability Sheet Atomization)model
2 2tanh( ) 4 tanh( ) 2fkh k kh i kUw w 2
f
l kw
:波数 k
:液膜動粘性 f
:液膜表面張力係数
:液膜厚さ h:波の複素成長率 w :液膜と周囲ガスの密度比
0 :初期の振幅 b :分裂後の振幅
g
l
液膜に生じる波の分散関係
液膜の不安定性により液膜から液糸に分裂する過程を記述
34 2 3 2 24 tanh( ) 2 4 tanh( ) 0f f
l
kk kh k l lh U k
Ref. N.Dombrowski, PC.Hooper, Chemical Engineering
Science, Vol.17(1962), pp291-305
高速液膜流においては
同じとみなせる
ここで,液膜表面波の支配方程式を満たす
解およびは振動モードは2つ存在する.
(a)Sinuous Wave
(b)Dilational Wave
(b) Dilational wave
(a) Sinuous wave
Sinuous Waveのみの振動を考える
Film Breakup 2
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1
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/
LISA(Linearized Instability Sheet Atomization)model
液滴の代表径
1
61.88 1 3D Ld d Oh オーネゾルゲ数: f f LOh d
Rosin-Rammlerの分布関数
算出した代表粒径に分布関数を与える
液糸から液滴に分裂する過程を記述
算出したリガメント径から液滴の代表径を求める
液滴の粒径分布
代表粒径 に を代入し,初期の粒径分布を与える DdX
Atomization 3
1 exp
qD
QX
D :分布させる粒径 X :代表粒径
q :分布形状を決定する実験定数 D :粒数頻度
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00
Freq
uen
cy d
istr
ibu
tio
n o
f d
rop
let
nu
mb
er [
- ]
Droplet diameter D [µm]
Default(q=0.35)のロジン・ラムラーの分布関数
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1
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/
0
0 0 0 0
50
50
50 50 50 50
100
100
Exp.
t/tinj=0.5
t/tinj=1.0
LISA-MTAB KH-RT
Axia
l d
ista
nce
fro
m n
ozzle
tip
Z [m
m]
0
Radial distance from nozzle tip R [mm]
WAVE-MTAB
Tfuel=Tamb=room
tinj=2.812[ms]
Pinj=1[MPa]
Qinj=7.5[mg]
分裂モデル毎の噴霧画像比較 (Pinj=1MPa)
Droplet diameter
[μm]
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
21
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1
9
/
80 0 80 0 80 0 80 0
0
80
0
80
t/tinj=0.25 t/tinj=0.5 t/tinj=0.75 t/tinj=1.0 Axia
l dis
tance f
rom
nozzle
tip
Z [m
m] Radial distance from nozzle tip R [mm]
◆Pinj=1MPa Qinj=30.0mg
Exp.
Exp. Cal.
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Droplet diameter
[μm]
噴霧画像(1MPa, LISA-MTAB model)
Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –
1
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/
Spra
y t
ip o
f penetr
atio
n [m
m]
80
40
120
160
200
0 0.2 0.4 0.6
t/tinj [-]
0.8 1.0 0
分裂モデル毎の比較 (噴霧先端到達距離,平均粒径d10)
200
160
120
80
40
0 10 20 30 40 50
Distance from nozzle tip [mm]
d10 [
μm
]
Qinj=7.5mg Pinj=1MPa
t/tinj=1.0
Qinj=7.5mg Pinj=1MPa
tinj=2.812ms
Exp.
LISA-MTAB
WAVE-MTAB
KHRT
Exp.
LISA-MTAB
WAVE-MTAB
KHRT
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ご清聴、ありがとうございました。
http://comb.doshisha.ac.jp
http://www1.doshisha.ac.jp/~ene-cent/
STAR Japanese Conference 2016 (2016.6.9)