Ανάπτυξη λογισμικού δημιουργίας αριθμητικού πλέγματος και υπολογιστική μελέτη ροής και καύσης σε δίχρονο ναυτικό κινητήρα

Abstract

Οι αέριοι ρύποι που εκπέμπουν οι ναυτικοί κινητήρες Diesel αποτελούν σημαντικούς παράγοντες για τη ρύπανση του περιβάλλοντος. Ο Διεθνής Ναυτιλιακός Οργανισμός (International Maritime Organization - IMO) και η Ευρωπαϊκή Ένωση έχουν θεσπίσει καινούργια μέτρα και περιορισμούς για τις εκπομπές αερίων ρύπων, ώστε η λειτουργία των ναυτικών κινητήρων να αποβεί φιλικότερη για το περιβάλλον και τον άνθρωπο, χωρίς ταυτόχρονα να επηρεάζεται η αξιοπιστία και η απόδοσή αυτών. Σήμερα, η Υπολογιστική Ρευστοδυναμική (CFD) αποτελεί ένα αξιόπιστο μέσο για τη μελέτη και βελτίωση της θερμορευστομηχανικής των ναυτικών κινητήρων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, μελετάται η ανάπτυξη αριθμητικού πλέγματος για την προσομοίωση του μεγάλου δίχρονου ναυτικού κινητήρα Diesel RT-flex96C της κατασκευάστριας εταιρείας Wärtsilä Switzerland, με διάμετρο και διαδρομή εμβόλου 0.96 m και 2.5 m, αντίστοιχα. Η μελέτη αυτή χωρίζεται σε δύο στάδια: (α) δημιουργία αριθμητικού πλέγματος για τη γεωμετρία του κινητήρα και (β) προσομοίωση της ροής και καύσης, για την περιοχή πλήρους φορτίου, με χρήση του κώδικα Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής KIVA-3. Αρχικά, η αποτύπωση της γεωμετρίας του θαλάμου καύσης του κινητήρα και η δημιουργία του αρχικού αριθμητικού πλέγματος πραγματοποιείται μέσω της ρουτίνας δημιουργίας πλέγματος του κώδικα KIVA-3 (ρουτίνα “k3prep”). Η ρουτίνα χαρακτηρίζεται από κάποια μειονεκτήματα, και χρήζει βελτιώσεων. Για τον λόγο αυτόν, αναπτύχθηκε στην παρούσα εργασία μια εναλλακτική μεθοδολογία δημιουργίας αριθμητικών πλεγμάτων, η οποία περιλαμβάνει τη σύζευξη: (α) της ρουτίνας “k3prep”, (β) του λογισμικού GMSH, και (γ) του λογισμικού Octave. Το λογισμικό που αναπτύχθηκε απέδωσε πληρέστερα τη γεωμετρία του κινητήρα RT-flex96C, και αποδείχτηκε εν γένει καταλληλότερο για αντίστοιχες εφαρμογές δημιουργίας πλέγματος σε εφαρμογές μεγάλων κινητήρων. Στην παρούσα εργασία, έγινε μελέτη ανεξαρτησίας πλέγματος και χρονικού βήματος, στο πλαίσιο της οποίας χρησιμοποιήθηκαν, ως μέτρο σύγκρισης, και πειραματικά αποτελέσματα. Ακολούθως, μελετήθηκε η λειτουργία του κινητήρα RT-flex96C στην περιοχή του πλήρους φορτίου, συγκεκριμένα: (α) μια περίπτωση αναφοράς, χαρακτηριζόμενη από συνεχές προφίλ έγχυσης, (β) περιπτώσεις λειτουργίας στην περιοχή του πλήρους φορτίου, χαρακτηριζόμενες από διαφορετικά επίπεδα εγκάρσιας συστροφής του αέρα (swirl), και (γ) δύο περιπτώσεις χαρακτηριζόμενες από προέγχυση και κύρια έγχυση. Η παρούσα εργασία δημιουργεί τη βάση για περαιτέρω υπολογιστική μελέτη και βελτιστοποίηση του παρόντος δίχρονου ναυτικού κινητήρα.