A CFD Study of Cavitation in Real Size Diesel Injectors

Abstract

In Diesel engines, the internal flow characteristics in the fuel injection nozzles, such as the turbulence level and distribution, the cavitation pattern and the velocity profile affect significantly the air-fuel mixture in the spray and subsequently the combustion process. Since the possibility to observe experimentally and measure the flow inside real size Diesel injectors is very limited, Computational Fluid Dynamics (CFD) calculations are generally used to obtain the relevant information.The work presented within this thesis is focused on the study of cavitation in real size automotive injectors by using a commercial CFD code. It is divided in three major phases, each corresponding to a different complementary objective.The first objective of the current work is to assess the ability of the cavitation model included in the CFD code to predict cavitating flow conditions. For this, the model is validated for an injector-like study case defined in the literature, and for which experimental data is available in different operating conditions, RESUMENPara los motores Diesel, las características del flujo interno en las toberas de los inyectores, tales como el nivel y la distribución de la turbulencia, el nivel de cavitación y el perfil de velocidad, afectan de manera significativa a la mezcla de aire-combustible en los chorros y, por lo tanto, al proceso de la combustión. Puesto que la capacidad de observar experimentalmente y de medir el flujo en el interior de los inyectores Diesel de tamaño real es muy limitada, los cálculos CFD (dinámica de fluidos computacional) se utilizan generalmente para obtener la información relevante.El trabajo presentado en esta tesis está enfocado al estudio de la cavitación en inyectores reales de automoción, mediante un código comercial CFD.Está dividido en tres fases principales, cada una con un objetivo definido y complementario.El primer objetivo en este trabajo es evaluar la capacidad de predicción del modelo de cavitación integrado en el código CFD. Para ello, se valida el modelo para un caso de estudio académico bajo distintas condiciones de funcionamiento, con y sin cavitación, comparando con datos experimentales documentados en la bibliografía. En los estudios preliminares llevados a cabo, se prueban diferentes configuraciones numéricas referentes al modelo de cavitación y se estudia su influencia en la solución para determinar la configuración más adecuada. En general, se concluye que el modelo es capaz de predecir el inicio de la cavitación y su desarrollo. Los valores obtenidos de gasto másico y de flujo estrangulado muestran una coincidencia 12 satisfactoria con los resultados experimentales. Este estudio preliminar sirve de base para la comprensión física y numérica del problema.Posteriormente, y utilizando la configuración numérica más adecuada obtenida del estudio previo, se procede a realizar cálculos en condiciones no estacionarias para unos inyectores reales mono-orificio y multi-orificio, cada uno con dos tipos de tobera, cilíndrica y cónica. El objetiv...