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 Swirling CFD for spray generators
    Giovanni Corbinelli, Siemens VDO Automotive S.P.A, Pisa Plant, Italy

Introduction

Injector의 효율은 어떤 직접 분사 점화 엔진 설계의 성공여부에 있어서 결정적인 요인입니다. Injector 설계는 연료 소비, 배기 및 운전성과 같은 엔진 효율에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서성공적인 연료 분사를 위한 설계를 위해서는 정적 및 동적 유량과 스프레이의 특성(Cone Angle, Penetration Length, Droplet Size 및 Droplet Velocity)에 의해 조심스럽게 조정되어야 합니다.

고압 Swirl Injector는 이러한 응용이 가장 잘 적용된 것입니다. 왜냐하면 그것은 적당한 인젝션 압력에서 좋은 스프레이를 생성하기 때문입니다. 이러한 Injector의 설계가 최적화되기 위해서는 Injector의 치수와 노즐로부터 연료가 분사될 때의 조건 같은 파라메터의 변경에 대한 영향을 이해하는 것이 필요합니다. 이러한 일은 실험적으로 수행하기가 어려운데, 이는 Injector의 이러한 특성이 일반적으로 밀리미터보다는 마이크로미터 단위로 측정되기 때문입니다. 이러한 조건 하에서는 STAR-CD와 같은 CFD 코드를 이용한 수치적 시뮬레이션이 Injector의 효율을 보여주는 데 효과적이고 명백히 설계의 질을 높여줄 수 있습니다.

이 글에서 STAR-CD는 HPDI(High Pressure Direct Injection) Swirl Injector에 발생하는 복잡한 물리적 현상을 이해하고, 스프레이의 형상 및 질에 관한 Injector의 성능을 증가시키기 위한 Swirl Spray Generator의 형상적 특성을 최적화하기 위해 사용됩니다.                    

그림 1은 일반적인 Swirl Group Generator를 보여줍니다. 이것은 Needle Guide, Swirl Disc 및  Discharge Orifice를 가진 Seat로 구성됩니다. Injection동안에 Swirl Chamber 안에서 Swirl Disc의 접선 방향을 통해 가압된 연료가 주입됩니다. 그것은 얇은 원뿔형 Sheet의 형태로 Discharge Orifice로부터 빠져나오기 전에 Chamber에서 회전합니다. 소용돌이치는 형상은 그림 2에서 일반적인 연료 입자의 경로로 보여집니다.

Injector Axis근처에서 강력한 소용돌이 형상은 Air Core를 유발하게 됩니다. Injector 출구에서의 필름(벽과 Injector Axis에서 생성된 Air Core 근처의 액상 필름) 두께는 그림 3에서 볼 수 있습니다. Two-Phase System(이 경우에는 연료와 공기)에서 정확한 CFD 시뮬레이션을 수행하는 것이 가능하다 할 지라도, 그러한 계산은 분명히 단순한 Single-Phase System보다 계산하는데 드는 비용이 증가할 것이고 많은 경우의 시뮬레이션을 수행함으로 인해 많은 시간이 소요될 것입니다.

The analysis

Swirl Injector에서 가장 중요한 파라메터는 정상상태 동작에서의 유량과 Spray Cone Angle입니다. 그러므로 이 연구는 Stationary Flow의 시뮬레이션으로 제한되었습니다:

이 작업의 초기 상태에서, 하나의 형상은 Single Phase와 Two Phase를 사용하여 시뮬레이션하였습니다. 이 장의 목적은 Full Two-Phase System이 Single Phase로 표현될 수 있다는 단순화한 가정을 사용할 경우의 에러가 얼마나 되는지를 평가하는 것입니다. 에러의 수준이 충분히 작게 나타난다면, 덜 비싼 Single Phase 기법을 사용함으로써 명백한 소시간과 컴퓨터 자원의 감소가 발생할 것입니다.                           

모든 계산에 사용된 격자들은 Trimmed-Cell 기술로 알려진 독특한 격자생성방법을 사용한 STAR-CD의 자동 격자 생성 모듈을 사용하여 제작되었습니다. 이 기술은 Flow Volume에서의 Cell의 질과 분포를 Domain의 중심과 그 표면 근처에서의 Trimmed Cell(면에 의해 절단된 육면체)에서의 Hexahedral Cell을 생성함으로써 최적화합니다. Trimmed Cell 격자는 Boundary Layer의 최적 저장을 허용하는 일반적인 Prism Cell의 Layer에 의해 둘러쌓여 있습니다. 이 해석에서 사용된 격자는 그림 4에 보여집니다.

두 접근법에서의 명백한 차이는 Transition Cone 후의 압력 분포에서 볼 수 있습니다. 그러나 Transition Cone의 초기부와 Injector 출구에서의 분포는 거의 이상적입니다. 핵심 설계 변수(Swirl, Outlet Axial Velocity, Outlet Pressure 및  Film Thickness와 같은)에 의해 평가되었을 때 Single과 Two-Phase 접근법은 분명히 유사합니다. 이러한 이유로 Single Phase 접근법은 충분히 정확하고 차후의 모든 시뮬레이션에서도 적용될 것으로 생각됩니다.

Swirl Group Generator의 효율에 관한 다른 변수의 영향을 평가하기 위해 여러가지 다른 형상적 설정이 사용되었습니다. 한가지 예로 Needle Lift는 Sealing Band Area에서의 유량과 압력강하의 영향을 확인하고 좋은 Injector의 효율을 보장할 수 있는 값을 찾기 위해 다양하게 변화되었습니다.

Conclusion

이 해석들은 STAR-CD와 같은 CFD 코드들이 Injector Seat의 움직임에 대한 이해가 중요한 역할을 한다는 것을 분명히 보여줍니다. Injector의 크기가 매우 작기 때문에, Injector의 움직임에 대한 형상적 특성의 중요성을 이해하고 Injector의 설계의 정의에 유용한 경향을 알 수 있는 CFD를 병행하지 않은 실험은 지극히 제한되어 있습니다.

Figures:
Fig. 1: Sketch of the swirl group generator
Fig. 2: Particle's tracks
Fig. 3: Cone air and film thickness
Fig. 4: Mesh used
  Boundary conditions:
    -Number of cells: 76000 for 1/6th of the whole geometry
    - Inlet boundary condition: Pressure 120 [bar]
    - Outlet boundary condition: Average Pressure 1 [bar]
    - All temperatures are set to 293.15 [K]
    - Fluid: N-Heptane C7H16 (Vapour and Liquid)  
    - Barotropic Cavitation Model
    - Turbulence Model: k-e Model (High Reinolds Number)
    - Fluid incompressible
    - Differencing schemes: Mars (Second order)
Fig. 5: Pressure drop through the seat: Single phase vs Two phases
Fig. 6: Isosurface at 3000 Pa, delimiting cone air  

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