Publicación: Análisis de espray diésel mediante modelado fluido dinámico computacional en un inyector 4JH1
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Resumen en español
En el presente trabajo de investigación se analiza numéricamente la formación de espray diésel en un inyector 4JH1, para esto se establece un modelo computacional fluidodinámico de los principales subprocesos que ocurren en la inyección de combustible usando el software comercial ANSYS FLUENT, se emplea un modelo de turbulencia híbrido K-Omega SST SBES-WALE al ofrecer ventajas de modelos LES y RANS, el enfoque de medio continuo hace transición de VOF a DPM y se utiliza un esquema de reconstrucción geométrica para calcular la interfaz entre fluidos, la malla se genera con el método cartesiano creando elementos hexaédricos cuadráticos que se adaptan y refinan por curvatura optimizando el costo computacional. Se emplea el modelo de dispersión turbulenta DRK con vida de remolinos aleatoria y el modelo de rompimiento de gotas KHRT con arrastre dinámico. El modelo es validado con datos experimentales tomados a un inyector aplicando la técnica de fotografía con iluminación trasera difusa y correlaciones de literatura obteniendo coeficientes de correlación para penetración de 0,9994 respecto a Dent, 0,9936 en referencia a Hiroyasu y 0,9923 con la base experimental. Con el ángulo de aspersión se obtiene un coeficiente de correlación de 0,9838 con la base experimental, 1,0405 respecto a Hiroyasu y 0,6957 en referencia a Abramovich. Validado el modelo CFD se realiza un análisis multifactorial utilizando un diseño experimental 2^k sin replicas para evaluar los efectos de temperatura de combustible, presión de inyección y presión del ambiente en las respuestas de penetración, longitud liquida, ángulo de espray, diámetro medio de Sauter y tasa de evaporación transcurridos 1,2 ms ASOI. En general se observa que para las variables macrométricas de penetración y ángulo de aspersión los factores principales son estadísticamente significativos y la influencia de las interacciones no son estadísticamente significativos. Para la longitud liquida no se identifica significancia estadística para los factores e interacciones, pero se observa una influencia considerable de la presión del ambiente. Para las variables micrométricas analizadas los factores principales y la interacción entre presión de inyección y temperatura del combustible son estadísticamente significativos para el diámetro medio de Sauter. Los factores e interacciones no tienen significancia estadística para la tasa de evaporación, pero se identifica una sensibilidad considerablemente alta respecto a la presión de inyección y la temperatura del combustible. Se concluye de la hipótesis planteada que incrementar la temperatura de combustible entre los niveles planteados disminuye su viscosidad, consecuentemente disminuye la turbulencia en la tobera inhibiendo la formación de gotas, aun así, aumenta la tasa de evaporación para el inyector 4JH1.
Resumen en inglés
In the present research the formation of diesel spray in a 4JH1 injector is numerically analyzed with a fluid dynamic computational model of the main processes that occur in fuel injection using the commercial software ANSYS FLUENT, hybrid turbulence model K-Omega SST SBES-WALE which offers advantages over the models LES and RANS models, the continuum approach transitions from VOF to DPM and a geometric reconstruction scheme is used to calculate the interface between fluids, the mesh is generated with the Cartesian method creating quadratic hexahedral elements that adapt and refine by curvature optimizing the computational cost. The DRK turbulent dispersion model with random eddy life and the KHRT droplet breakup model with dynamic drag are used. The model is validated with experimental data taken with an injector applying the photography technique with diffuse back lighting and literature Correlations, obtaining correlation coefficients for penetration of 0,9994 In relation to Dent, 0,9936 for Hiroyasu and 0,9923. with the experimental data. For the spray angle, a correlation coefficient of 0,9838 is obtained with respect to the experimental data, 1,0405 for Hiroyasu and 0,6957 compared to Abramovich. Once validated, a multifactorial analysis is performed using a 2^k experimental design without replications to evaluate the effects of fuel temperature, injection pressure and ambient pressure on the penetration responses, liquid length, spray angle, Sauter mean diameter and evaporation rate at 1.2 ms ASOI. In general, it was observed that for the macrometric variables of penetration and spray angle, the main factors, are statistically significant while the influence of the interactions are not. For the liquid length, no statistical significance is identified for the factors and interactions, but a considerable influence of the ambient pressure is observed. For the micrometric variables analyzed, the main factors and the interaction between injection pressure and fuel temperature are statistically significant for the Sauter mean diameter. The evaporation rate has not statistical significance between the factors or interactions, but a considerably high sensitivity is identified with the injection pressure and fuel temperature. It is concluded from the proposed hypothesis that increasing the fuel temperature between the proposed levels decreases its viscosity. Consequently, reducing turbulence in the nozzle inhibiting the formation of drops, even increasing the evaporation rate for the 4JH1 injector.