Ανάπτυξη Μοντέλου Καύσης Βαρέος Καύσιμου για Εφαρμογή σε Ναυτικούς Κινητήρες Diesel

Abstract

Οι αργόστροφοι και μεσόστροφοι ναυτικοί κινητήρες Diesel προσφέρουν τη δυνατότητα λειτουργίας με χρήση βαρύτερων κλασμάτων διύλισης του πετρελαίου. Η επιβολή ολοένα αυστηρότερων κανονισμών για τις εκπομπές ρύπων από τους ναυτικούς κινητήρες καθιστά αναγκαία την εξέλιξη των ναυτικών κινητήρων Diesel, με γνώμονα τη μείωση των εκπομπών ρύπων. Σήμερα, η εξέλιξη των κινητήρων μπορεί να υποστηριχθεί από εργαλεία υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. Για την ακριβή προσομοίωση της θερμορευστομηχανικής των κινητήρων με χρήση βαρέος καυσίμου, είναι απαραίτητη η ανάπτυξη κατάλληλων φυσικών μοντέλων, και η πιστοποίησή τους με πειραματικά δεδομένα. Στην παρούσα εργασία εξελίσσεται ένα μοντέλο καύσης χαρακτηριστικού χρόνου, ώστε να περιγράφει την καύση ενός αντιπροσωπευτικού βαρέος καυσίμου σε εφαρμογές της ναυτιλίας. Το μοντέλο χρησιμοποιεί θερμοφυσικές ιδιότητες του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου με βάση πρόσφατη εργασία (Κυριακίδης, 2009), και υποθέτει την ύπαρξη ενός ελαφρού τμήματος και ενός τμήματος καταλοίπων στο καύσιμο. Το μοντέλο εισάγεται στον κώδικα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής KIVA-3, και προσδιορίζονται οι παράμετροί του, με χρήση πειραματικών δεδομένων καύσης spray βαρέος καυσίμου σε μικρούς θαλάμους καύσης σταθερού όγκου. Για τους εν λόγω θαλάμους, τα παρόντα υπολογιστικά αποτελέσματα είναι σε καλή συμφωνία με πειραματικά δεδομένα της βιβλιογραφίας. Επίσης, το νέο μοντέλο χρησιμοποιείται στην προσομοίωση της καύσης σε μεγάλο δίχρονο ναυτικό κινητήρα Diesel, σε συνθήκες πλήρους φορτίου. Επιπλέον, επιχειρείται η βελτιστοποίηση του προφίλ έγχυσης με παρουσία προέγχυσης, με σύζευξη του κώδικα KIVA-3 με το λογισμικό βελτιστοποίησης EASY, το οποίο βασίζεται σε εξελικτικούς αλγορίθμους. Τα αποτελέσματα είναι σε ποιοτική συμφωνία με πρόσφατη μελέτη για χρήση καυσίμου Diesel (Ανδρεάδης, 2008), και υποδεικνύουν την ανάγκη περαιτέρω εξέλιξης του μοντέλου για συνθήκες αντίστοιχες με αυτές μεγάλων ναυτικών κινητήρων.

Approximately 2/3 of merchant ships worldwide are operated with Heavy Fuel Oil (HFO). To account for the thermophysical properties of HFO, new fuel models should be developed and validated in CFD codes used for simulation of the flow and combustion in large marine Diesel engines. In the present work, a recently developed HFO model is tested against literature experimental data, for both a Visual Constant-Volume Combustion Chamber (VCVCC) and a Fuel Ignition Analyzer (FIA). The combustion model is adjusted by comparing results with the experimental heat release rate of the FIA device. The adjustment involves a two-stage combustion process, accounting for the combustion of a light (cutter) and a heavy (residual) fuel component. Finally, the model is tested in typical simulations of a large marine Diesel engine operating at full load. The present component. Finally, the model is tested in typical simulations of a large marine Diesel engine operating at full load. The present computational results are generally in good agreement with the experimental data, for the VCVCC and the FIA devices.