Ανάπτυξη Μοντέλου Βαρέος Καυσίμου για εφαρμογές Ναυτικών Κινητήρων Diesel

Abstract

Τα 2/3 των εμπορικών πλοίων χρησιμοποιούν βαρύ καύσιμο (Heavy Fuel Oil, HFO) για την κίνησή τους. Η κακή ποιότητα του βαρέος καυσίμου, λόγω της υψηλής ποσότητας θείου και των μεγάλων τιμών πυκνότητας και ιξώδους, σε συνδυασμό με τους περιορισμούς που έχουν τεθεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση αναφορικά με τη μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων, οδηγεί στην ανάγκη μελέτης της λειτουργίας των σύγχρονων ναυτικών μηχανών με χρήση βαρέος καυσίμου. Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία μελετάται η επίδραση των χαρακτηριστικών του βαρέος καυσίμου στη δομή του spray, στην ατμοποίηση και κατ’ επέκταση στην καύση του βαρέος καυσίμου σε μεγάλους δίχρονους ναυτικούς κινητήρες. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε με χρήση εργαλείων υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD). Πιο συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε ένα νέο μοντέλο με τις θερμοφυσικές ιδιότητες του βαρέος καυσίμου, και εισήχθη στον κώδικα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής KIVA. Στη συνέχεια, εκτελέστηκαν προσομοιώσεις της ροής και καύσης σε θάλαμο σταθερού όγκου, υπό συνθήκες υψηλής πίεσης. Εν προκειμένω, θεωρήθηκαν δύο διαφορετικά προφίλ έγχυσης και δύο μεγέθη ακροφυσίων, αντιπροσωπευτικά αργόστροφων και μεσόστροφων ναυτικών κινητήρων. Για την περιγραφή της διάσπασης του spray βαρέος καυσίμου έγινε χρήση των μοντέλων Ε-ΤΑΒ (Enhanced Taylor Analogy Breakup model) και USB (Unified Spray Breakup model). Τα αποτελέσματα που προέκυψαν δεικνύουν ότι το μήκος διείσδυσης του spray είναι παρόμοιο για βαρύ καύσιμο και για καύσιμο Diesel. Αναφορικά με το μέγεθος των σταγονιδίων, το spray βαρέος καυσίμου χαρακτηρίζεται από μεγαλύτερα σταγονίδια σε σύγκριση με το spray καυσίμου Diesel. Τα παρόντα υπολογιστικά αποτελέσματα συμφωνούν σε ικανοποιητικό βαθμό με αντίστοιχα πειραματικά της βιβλιογραφίας.

In the present work, a model with the thermophysical properties of Heavy Fuel Oil, typically used in marine diesel engines, has been developed and implemented into the KIVA CFD code. The effect of fuel properties on spray atomization is investigated by performing simulations in a constant-volume high-pressure chamber, using the E-TAB and the USB breakup models. Two different nozzle sizes, representative of medium- and low-speed marine diesel engines, have been considered. The simulations have been performed for two values of chamber pressure, corresponding to operation at partial and full engine load. The results indicate that, in comparison to a diesel spray, the Heavy Fuel spray is characterized by comparable values of penetration length, and larger droplet sizes. These findings are correlated to experimental results from the literature.