Ανάπτυξη μοντέλου σύγκρουσης σταγονιδίων καυσίμου και νερού για εφαρμογή σε ναυτικούς κινητήρες diesel

Abstract

Περίπου το 3% του CO2, το 4-9% των SOx και το 10-15% των NOx εκπεμπόμενων παγκοσμίως, οφείλονται στους ναυτικούς κινητήρες Diesel. Έτσι, οι διεθνείς κανονισμοί προδιαγράφουν τη μελλοντική μείωση των εκπομπών οξειδίων του αζώτου από νέους ναυτικούς κινητήρες, έως και κατά 80%, μέσα στις περιοχές ελέγχου εκμπομπών (Emission Control Areas). Κατά συνέπεια, απαιτούνται παρεμβάσεις στον σχεδιασμό των κινητήρων. Μια τέτοια παρέμβαση συνίσταται στην εισαγωγή νερού στον θάλαμο καύσης. Σήμερα, η εξέλιξη των κινητήρων μπορεί να υποστηριχθεί από εργαλεία υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. Στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, αναπτύσσεται μοντέλο σύγκρουσης σταγονιδίων καυσίμου και νερού. Το μοντέλο εισάγεται στον κώδικα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής KIVA3V, με στόχο τη λεπτομερή προσομοίωση της θερμορευστομηχανικής μεγάλου δίχρονου ναυτικού κινητήρα Diesel, στον οποίο γίνεται χρήση άμεσης έγχυσης νερού. Τα υπολογιστικά αποτελέσματα δεικνύουν ότι η χρήση του νέου μοντέλου επιφέρει ελαφρά μεταβολή στο χρονικό προφίλ της πίεσης εντός του θαλάμου καύσης, καθώς και μικρή μείωση της θερμοκρασίας, και κατά συνέπειεα των εκπομπών οξειδίων του αζώτου. Επίσης, στο πλαίσιο σχετικής διερεύνησης, δεικνύεται ότι η θέση των εγχυτήρων νερού σε σχέση με τους εγχυτήρες καυσίμου μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την αποτελεσματικότητα της απευθείας έγχυσης νερού στη μείωση των εκπομπών εξειδίων του αζώτου.

Approximately 3% of the worldwide CO2 emissions, 4-9% of SOx emissions and 10-15% of NOx emissions are caused by marine engines. Thus, the international organizations as IMO (International Maritime Organization) prescribe a drastic reduction of NOx emissions for the near future, of up to 80%, in emission control areas (ECAs). This will result in drastic changes in the design of marine engines. Such a change consists in the introduction of water into the combustion chamber. Nowadays, engine development can be supported by Computational Fluid Dynamics (CFD). In the present study, a model is developed accounting for the collisions between fuel and water droplets. The model is introduced into the KIVA3V CFD code, in order to account for an accurate representation of aerothermochemistry in a large two-stroke marine Diesel engine in which direct water injection is introduced. The present study shows that the new model results in a slight decrease of the computed cylinder pressure and temperature levels, and thus in a slight reduction of nitric oxide emissions. Further, a detailed parametric study illustrates that the position of water injectors can substantially affect the outcome of direct water injection in terms of reducing nitric oxide emissions.