PowerPoint プレゼンテーション

(1)

Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –

STAR Japanese Conference 2016

（2016.6.9）

同志社大学「エネルギー変換研究センター」

理工学部機械系工学科「噴霧・燃焼工学研究室」

千田二郎・松村恵理子

1. 当研究室でのモデリング研究の概要

2. CD-adapco 様との連携

３．ディーゼル噴霧の新たな微粒化モデルの提案

４．ガソリン噴霧の新たな微粒化モデルの提案

エンジンスプレーの分裂モデルの最適化

Optimization of Breakup Model in Engine Sprays

1．ディーゼル噴霧解析の取り組み

0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 A xia l d ist an ce f ro m n oz zl e tip [ m m ] 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 A xia l d ist an ce f ro m n oz zl e tip [ m m ] C5 C13 LIF Calculation

多成分蒸発噴霧解析

Senda(Iclass-2003)

＊SMAC-壁面衝突液滴解析（1981），振動圧力場のキャビ気泡解析（1983）

１キャビテーション気泡群を考慮したディーゼル燃料噴射系解析（1990；千田）

２噴霧－壁面干渉モデル（1993～；千田）

３減圧沸騰噴霧モデル（０次元）（1993；千田）

４多成分燃料の気液平衡推算モデル（０次元）

（1993～；柴田・千田）

５．修正TAB分裂モデル（1996 ；段・千田）

６離散渦法を併用した噴霧解析（1996 ；段・千田）

７多成分燃料蒸発モデル（多次元）（2000 ～；川野・千田）

８壁面衝突モデルー多成分燃料対応

（2001；千田）と統合モデル（2002；松田・千田）

９化学反応動力学（CHEMKIN）適用すす生成モデル

（2002～；北村・千田）

10 Chem-KIVA(2003～；伊藤・千田）

11 減圧沸騰噴霧モデル（多次元）（2004～）（川野・千田）

12 Large Eddy Simulation（LES）

（2005～；堀・千田→現在＝分裂モデル；北口・藤井・千田）

13 ノズル内キャビテーションモデル

(2006～；和田・千田→現在；松本・千田・松村）

(2)

2. 株式会社CD-adapco様との連携

１．STAR Japanese Conferenceでの講演

＊2013.5－「壁面に衝突する燃料噴霧のモデリング」－千田

＊2013.12－「減圧沸騰噴霧の特性とモデリング」－松村

＊2015.6－「多成分燃料噴霧の蒸発過程のモデル解析」－千田

２．Star-CDへの同志社大学モデル実装の取組み

＊2013.5～壁面衝突モデルを実装

＊現在、減圧沸騰噴霧モデルの適用を実施中

＊今後、多成分燃料の蒸発モデル、

噴霧微粒化ハイブリッドﾓﾃﾞﾙ

およびキャビテーションモデルの適用を検討予定

３．モデル組込みの連携

＊2014.7～直噴ガソリン機関用マルチホールノズルの噴霧解析

＊2015.1～液膜噴霧の分裂過程にLISAモデルを適用(AICE)

３．ディーゼル噴霧の新たな微粒化モデルの提案

３－１．噴霧の分裂・微粒化モデル

３－２．改良TAB（MTAB)モデル

３－３．WAVE－MTABハイブリッドモデルによる

ディーゼル噴霧の解析例

(3)

分裂形態についての文献調査

0 < We < 11

Vibration breakup

80 < We < 350

Sheet-thinning breakup

We > 350

Catastrophic breakup

35 < We < 80

Multimode breakup

11 < We < 35

Bag breakup

D.R.Guildenbecher,C.López-Rivera, P.E.Sojka, “Droplet Deformation and Breakup”, Handbook of Atomization and Sprays, Chapter 6, pp145-156,(2011).

0 < We < 12

Vibration breakup

12 < We < 20

Bag breakup

20 < We < 80

Multimode breakup

80 < We < 800

Stripping breakup

We > 800

Catastrophic breakup

G.M.Faeth, L.-P.Hsiang, P.-K. Wu, “Structure and breakup properties of sprays”, International Journal of Multiphase Flow vol.21, (1995),pp.99-127 (C.A.Chryssakis,D.N.Assanis,and F.X.Tanner, “Atomization Models”, Handbook of Atomization and Sprays, Chapter 9, pp.215-231,(2011).)

(4)

KH model

RT model

液滴表面に働く周囲気体との速度差に起因

するKelvin-Helmholtzの不安定性による分

裂現象をモデル化

液相と気相との密度差に起因するRayleigh-Taylorの不安定性による分裂現象をモデル化

Breakup model （KH-RT model ）

KH model

RT model

KH-RT model

STAR-CDでは粒径の大きさで切り換え

3 RT

D

 

C

：最速で成長するRT波の波長

RT



のときRT model に切り替え

KHモデルとRTモデルのハイブリッドモデル

：分裂前の液滴径

D

：実験定数

3

C

３．ディーゼル噴霧の新たな微粒化モデルの提案

３－１．噴霧の分裂・微粒化モデル

３－２．改良TAB（MTAB)モデル

３－３．WAVE－MTABハイブリッドモデルによる

ディーゼル噴霧の解析例

(5)

TAB model 液滴の振動による分裂をバネ振動系に置き換え

て誘導した相似則に基づく分裂現象をモデル化

x

F

m

d

k

x r Ur y

(d

w

/

w

)=(

d

c

2

)

c

2

f=2 (

Original model

)

f=4 f=6 (ディーゼル噴霧への最適化/千田) f=10 f=12（抜山・棚沢らの粒径分布）

Breakup model（MTAB model）

32 3 2

8

6

5

1

20

120

d

r

K

y











y

:液滴変形速度 σ : 表面張力 ρd : 液滴の密度 K : 実験定数 r32 : 分裂後のザウタ平均粒径 r : 分裂前の液滴径

低圧噴霧へ適用するため

抜山・棚沢らの分布関数を用いる

MTAB (Modified Taylor Analogy Breakup) model

K=10/3,

f

=2

K=8/9,

f

=6

分裂後のザウタ平均粒径を基準に

カイ二乗分布の確率密度関数を与える

実験定数Kおよび自由度φの値によって決まる

ディーゼル噴霧において粒径を過小評価

Ref. J.Senda,T.Dan,S.Takagishi,T.Kaanda, H,Fujimoto,Proceeding of ICLASS,1997

Ref. P.J.O’Roke, A.Amsde, SAE Paper , 872089, 1987

K=1.35,

f

=12

(6)

(7)

旧ハイブリッド分裂モデル－分裂長さ基準

(WAVE-MTABモデル)

m1

m2

v1

v2

分裂モデルの改良

TABモデル分裂後の半径方向への速度

付加

v b p

v





C C r y

C

v



1

0.5

b

C



実験との比較

分裂後の左右の液滴質量が等しい

分裂後の液滴質量を考慮

3 3 3 p c b p

r

C

r





ハイブリット手法

0

,

f b L a

L

C d





分裂長さはLevich理論により定義

5

L

C



分裂長さ以下

分裂長さ以上

WAVEモデル

MTABモデル

WAVE

MTAB

分裂長さ

実験定数

B

0

=0.61

B

1

=5.0

C

RT

=0.1

C



=1.0

◆ハイブリット手法

0



f b L a

L



C d

◆抗力係数

MTABモデルでは液滴の歪み度を考慮したLiuらの式を適用

,

(1 2.632 )

d d sphere

C

=

C

+

y

噴霧の分裂長さはLevich理論により定義

分裂長さ以下

ウェーバー数450以上

分裂長さ以上

ウェーバー数450以下

KHモデル

MTABモデル

◆分裂後の液滴の半径方向への速度付加 (MTABモデル)

1

v

C



0.5

b

C



実験との比較

分裂後の左右の液滴質量が等しい

⇒分裂前の液滴質量の半分にならない

分裂後の液滴質量を考慮する必要あり

分裂後の液滴粒径：カイ二乗分布により決定

3 3 3 p c b p

r

C

r





液滴のウェーバー数は以下の式により定義

2 a

U d

r p

We







改良前

改良後

m1

m2

v1

v2

v b p

v





C C r y

旧ハイブリッド分裂モデル－We(l)基準

(WAVE-MTABモデル)

(8)

３．ディーゼル噴霧の新たな微粒化モデルの提案

３－１．噴霧の分裂・微粒化モデル

３－２．改良TAB（MTAB)モデル

３－３．WAVE－MTABハイブリッドモデルによる

ディーゼル噴霧の解析例

＊Weber数と粒径分布

＊他の分裂モデルとの比較

＊蒸発噴霧の計算精度の検証

WAVE-MTABモデル

速度差による不安定性に起因した

一次分裂

二次分裂

本研究室では、分裂現象に対応するWAVE-MTABモデルを開発してきた

本研究室で開発したWAVE-MTABモデル

分裂をモデル化したWAVEモデル

外力による液滴の変形に起因した

分裂をモデル化したMTABモデル

液滴の分裂の整理に用いられる無次元数であるWeber数により切り替える

従来までのWAVE-MTABモデルの切り替えに使用したWeber数

ディーゼル噴霧におけるWeber数について一次分裂二次分裂高Weber数領域低Weber数領域 2 d r p l

U d

We







Weρd：液滴の密度 l：ウェーバー数 Ur：液滴と気相の相対速度 dp：液滴の直径 σ：表面張力 2 g r p g

U d

We







Weρg：周囲気体の密度 g：ウェーバー数 Ur：液滴と気相の相対速度 dp：液滴の直径 σ：表面張力

周囲気体の密度を使用したWeber数を用いることが最適

WAVE-MTABモデルにおける

最適な切り替え手法の提案

(9)

Weber number [-]

80

35 P

rob

ab

ili

ty

of

MT

A

B

m

od

el

[%]

100

0 MTAB model is used

in a probability of 100%

Multi mode

Bag breakup

Non breakup

MTAB model

WAVE model

Non breakup

12 MTAB or WAVE model (Linear probability)

WAVE model is used

in a probability of 100%

WAVE-MTABモデルの概念図

0 Stripping breakup

Nozzle hole diameter

[mm]

0.20 Injection pressure

[MPa]

99 Injection duration

[ms]

1.30 Test fuel

C

13

H

28

Injection fuel amount

[mg]

12.0 Fuel temperature

[K]

300 Ambient pressure

[MPa]

1.5 Ambient density

[kg/m

3 _]

_17.3

Ambient gas

N

2 Ambient temperature

T

a

[K]

300 P

a

P

inj

t

inj

m

f

d

n

T

f

ρ

a

Weber数と粒径分布による検証のための

非蒸発噴霧の計算条件

同志社において過去に行われた非蒸発噴霧実験の条件

(10)

噴射初期に投入されたパーセルの

Weber数の時間変化とノズルからの距離

・分裂長さより5mm程度パーセルが移動してから

分裂モデルが切り替わる．

0.01 0.1 1 1 10 100 S p ra y t ip p e n e tr a ti o n [ m m ]

Time after start of injection [ms]

・物理現象とモデルの切り替えが定性的一致する

B0=0.61

B1=20

(a)Temporal change in weber number

0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.20 0.21 0.22 0.23 0.24 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 W eb er n um be r [-]

parcel number 1 parcel number 6 parcel number 2 parcel number 7 parcel number 3 parcel number 8 parcel number 4 parcel number 9 parcel number 5 parcel number 10

(b)Temporal change in parcel distance from nozzle

0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.20 0.21 0.22 0.23 0.24 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 D is ta nc e fr om n oz zl e or ifi ce [ m m ]

parcel number 1 parcel number 6 parcel number 2 parcel number 7 parcel number 3 parcel number 8 parcel number 4 parcel number 9 parcel number 5 parcel number 10

・ MTABモデルが使用されるWeber数以下になる

のは噴射開始後0.18ms頃

・噴射開始後0.18msのときのパーセルのノズルか

ら噴霧軸方向の距離は25mm付近

・分裂長さは20mm付近

0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.20 0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 D is ta nc e fr om n oz zl e or ifi ce [ m m ]

Parcel Number 1 6 2 7 3 8 4 9 5 10 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.20 0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 D is ta nc e fr om n oz zl e or ifi ce [ m m ]

Parcel Number 1 6 2 7 3 8 4 9 5 10

t/t

inj

=2における噴霧全体の粒径分布と

自由度12の

χ

2 _分布

exp(

)

dn

Ax

Bx

dx

n

 





抜山・棚沢の分布関数

2(



4)

f







自由度

Φのχ

2

_分布

ディーゼル噴霧の粒径は

α=2，β=1で整理できる

12 f



n

：粒数：粒径

x

A

,

B

,

 

,

：定数

f

：

_{(MTABモデルにおいて分裂後の}

χ

2

分布の自由度

液滴径の決定に用いられる) B0=0.61 B1=20 0 10 20 30 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 Droplet diameter [μm] PDF(Prob ab ility De nsi ty Fun ction ) [-] Chi-square distribution (Φ=12) WAVE-MTAB model

(11)

Nozzle hole diameter

[mm]

0.20 Injection pressure

[MPa]

55,77,99

Injection duration

[ms]

1.77,1.42,1.30

Test fuel

C

13

H

28

Injection fuel amount

[mg]

12.0 Fuel temperature

[K]

300 Ambient pressure

[MPa]

1.5 Ambient density

[kg/m

3 _]

_17.3

Ambient gas

N

₂

Ambient temperature

T

a

[K]

300 P

a

P

inj

t

inj

m

f

d

n

T

_f

ρa

Breakup model

WAVE-MTAB model

(We

g

)

Pre-WAVE-MTAB model

(We

l

)

KH-RT model

他の分裂モデルとの比較を行うための

非蒸発噴霧の計算条件

※Pre-WAVE-MTAB model (Wel)は液滴の密度を考慮したWe数を用い，Ｗｅ数450を境界として切り替えを行う．

~ 非蒸発噴霧 ~

噴霧画像（噴射終了時）

WAVE-MTAB model

(We

g

)

Pre-WAVE-MTAB model

(We

l

)

KH-RT model

Ｅｘｐ．

B0=0.61

(12)

~ 非蒸発噴霧 ~

噴霧先端到達距離

0 20 40 60 80 100 S p ra y tip p e n e tr a tio n [m m ] 0 0.5 1.0 1.5 2.0 Time after start of injection [ms]

Pinj＝99MPa (LES)

Pinj＝99MPa (Exp.)

0 20 40 60 80 100 S p ra y tip p e n e tr a tio n [m m ] 0 0.5 1.0 1.5 2.0 Time after start of injection [ms]

KH-RT

WAVE-MTAB (Weg)

Pre-WAVE-MTAB (Wel)

B0=0.61

B1=25

0 20 40 60 80 100 0 50 100 150 200 Dr op let d iam ete r [μ m ] 0 20 40 60 80 100 0 50 100 150 200 D ro ple t dia m et er [ μ m ] 0 20 40 60 80 100 0 50 100 150 200

Distance from nozzle [mm]

Dr op let d iam ete r [μ m ] KH-RT model

WAVE-MTAB model (Weg)

Pre-WAVE-MTAB model (Wel)

Distance from nozzle [mm] Distance from nozzle [mm]

0 5 10 15 20 25 30 Droplet diameter [μm] P D F( P ro b a b ili ty D e n si ty Fu n ct io n ) [-] 0 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.30 WAVE-MTAB model Pre-WAVE-MTAB model KH-RT model

~ 非蒸発噴霧 ~

粒径の噴霧軸方向分布

t / tinj = 1 B0=0.61 B1=25

(13)

Nozzle hole diameter

[mm]

0.09 Injection pressure

[MPa]

150 Injection duration

[ms]

1.5 Test fuel

Injection fuel amount

[mg]

3.46 Fuel temperature

[K]

363 Ambient pressure

[MPa]

6.05 Ambient density

Ambient gas

Ambient temperature

T

a

[K]

900 P

a

P

inj

t

inj

m

f

d

n

T

f

C

12

H

26

N

2

(89.71%), CO

2

(6.52%), H

2

O(3.77%)

[kg/m

3 _]

_22.8

Breakup model

WAVE-MTAB model

(We

g

)

KH-RT model

ρa

蒸発噴霧の計算条件

(ECN(Sandia)のSprayA)

http://www.sandia.gov/ecn/cvdata/targetCondition/sprayA.php

＊L.M. Pickett, C. L. genzale, G. Bruneaux, L. M. Malbec, L. Hermant, C. Chirisriansen, J. Schramm, “Comparison of Diesel Spray in Different High-Temperature, High-Pressure Facilities” SAE 2010 Powertrains Fuels & Lubricants Meeting, 2010-01-2106, (2010).

計算結果の検証

シャドウグラフと密度勾配の計算結果

参照URL：http://www.sandia.gov/ecn/cvdata/assets/movies/bkldaAL1movie.php

WAVE-MTAB model KH-RT model

0 10 20 30 40 50 60 70 80 Dist a n ce f ro m n o z z le o rifice [ m m ] Exp.

Exp. WAVE-MTAB model KH-RT model

S p ra y tip p e n e tr a tio n [m m ]

Liquid length Vapor length 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 B0=0.61 B1=10 ・液相長さは噴霧内の液相量の90%となる位置とノズルとの噴霧軸方向の距離として定義・蒸気相長さは燃料の体積分率が0.1%の等値面を噴霧外縁とし，ノズルから噴霧軸方向に最も離れた位置とノズルとの距離と定義

(14)

噴霧画像（噴射終了時）

Similarity ratio r = 1

Similarity ratio r = 0.8

B0=0.61

B1=10

4-1. 直噴ガソリンエンジン用マルチホールノズル

の噴霧解析

＜ KH-RT Wave Model とMTAB Model ＞

4-2.直噴用スワールノズルの噴霧解析

＜ LISA Model – MTAB ハイブリッドモデル

の適用＞

４．ガソリン噴霧の新たな微粒化モデル

(15)

実験条件(KH-RT,MTAB model)

iso-octane

Test fuel

CO

2 Ambient gas

Room temperature

Ambient temperature T

amb

[MPa]

1.22 Injection duration

8 Injection fuel amount

0.1, 0.4, 0.8

Ambient pressure

P

amb

[MPa]

8 Injection pressure

P

_inj

[MPa]

Nozzle type

6-hole nozzle

1.8, 7.1, 14.2

Ambient density

ρ

amb

[kg/m

3 ]

15

1.02 t

inj

[ms]

m

_f

[mg]

Nozzle diameter

d

n

[mm]

0.18 Photograph timing

t/t

_inj

[ - ]

1.0

解析条件

120mm

10 0m

m

injector

X

Y

Z

Nozzle hole positions

STAR-CD ver.4.20

CFD code

RNG k-

ε model

Turbulent model

PISO

Solution Algorithm

KH-RT model, MTAB model

Breakup model

W/O

Collision model

Blobs model

Atomization model

Droplet

DDM(Discrete Droplet Method)

Spray model

Rigid sphere

・計算格子（円筒座標系）

格子数：60×60×100

36万メッシュ

サイズ：直径120mm

高さ100mm

(16)

Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory – 0 10 20 30 40 50 60 70 80 A x ial d ista n ce fr o m n o z z le o u tle t Z [m m ] Pamb=0.8MPa ρamb=14.2kg/m3 Pamb=0.4MPa ρamb=7.1kg/m3 0 10 -10 -20 -20 -10 0 10 -10 0 10 -10 0 10 Droplet diameter: 9.8-10µm 10-20µm 20-30µm 30µm- Radial distance from nozzle tip R [mm]

撮影結果（超高解像度カメラ系）

P

inj

=15MPa,T

amb

=298K,t/t

inj

=1.0

Pamb=0.1MPa ρamb=1.8kg/m3 0 10 -10 -20 -30 -30 -20 -10 0 10

20

60

80

40

0

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0 S

pray

ti

p

pe

ne

tr

ati

on

[m

m

]

Time after start of injection [ms]

100 MTAB

KH-RT

Exp.

P

inj

=15MPa

P

amb

=0.1MPa

ρ

amb

=1.8kg/m

3

T

amb

=298.15K

噴霧先端到達距離の比較

(17)

粒数頻度分布（実験結果と解析結果の比較）

MTAB

KH-RT

Exp.

T

amb

=298.15K

P

amb

=0.1MPa

ρ

amb

=1.8kg/m

3

P

inj

=15MPa

Dr o p le t n u m b e r f re q u e n cy [-] 30 10 20 40 50 0 (c)30mm 0.3 0.2 0.1 0.0 0.4 (f)60mm 30 10 20 40 50 0 0.3 0.2 0.1 0.0 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 30 10 20 40 50 0 (a)10mm 0.4 30 10 20 40 50 0 (d)40mm 0.3 0.2 0.1 0.0 0.4 30 10 20 40 50 0 (e)50mm Droplet diameter D [μm] 0.3 0.2 0.1 0.0 0.4 30 10 20 40 50 0 (b)20mm 0.3 0.2 0.1 0.0 0.4

KH-RTは5μm付近において粒径のピークがあるが，

MTABにおいては10μm付近に粒径のピークがある．

KH-RTはディーゼル噴霧のような高圧噴霧を想定：平均粒径

MATBは分裂後の分布関数をガソリン噴霧想定に変更；

平均粒径がおおよそ一致

(18)

4-1. 直噴ガソリンエンジン用マルチホールノズル

の噴霧解析

＜ KH-RT Wave Model とMTAB Model ＞

4-2.直噴用スワールノズルの噴霧解析

＜ LISA Model – MTAB ハイブリッドモデル

の適用＞

４．ガソリン噴霧の新たな微粒化モデル

の提案

1

9 /

Ambient temperature Tamb [K] Room temp. Ambient Pressure Pamb[kPa] Atmospheric pressure

計算格子数（半径×周方向×軸方向）： 150x150x200 計450万メッシュ

200mm

1

5

0 m

m

injector

■自由噴霧解析条件

Nozzle hole

Fuel

C12H26

Fuel temperature

T

f

[K]

Room temp.

Injection pressure

P

inj

[MPa]

1，4

Injection quantity

Q

inj

[mg/st]

7.5，30

Nozzle type

Hollow

corn-Swirl

Nozzle diameter

[mm]

0.5 ◆雰囲気条件

◆噴射条件

◆ノズル緒元

Turbulent model

RNG k-

ε model

CFD code

STAR-CD ver.4.20

Breakup model

MTAB model

Atomization model

LISA model

Spray model

Collision and Coalescence

DDM(Discrete Droplet Method)

Solution Algorithm

PISO

W/O

(19)

1

9 /

Film Formation

1

θ δ0 h0 hb Lb

液膜進行速度

2

V l

p

U

k









p

：噴射差圧

 

2 0

4 max 0.7,

cos

2

l V l

m

k

d

p



 











_







v

k

：流量係数

U

0

(

0 0

)

l

m



 

u

d





m

：単位時間当たりの質量流量

u

：ノズル軸流方向速度



l ：燃料密度 0

d

：ノズル直径

初期液膜厚さ

より算出

0



cos

u



U



およびノズル軸流方向速度

u

液膜の生成過程を記述



：噴霧角

LISA(Linearized Instability Sheet

Atomization)model

1

9 /

LISA(Linearized Instability Sheet

Atomization)model





2 2

tanh(

kh

)

4

f

k

tanh(

kh

) 2

i kU

w

  

w 



_

 



_



2 f

l

k

w







：波数

k

：液膜動粘性 f





：液膜表面張力係数：液膜厚さ

h

：波の複素成長率

w



：液膜と周囲ガスの密度比 0



：初期の振幅 b



：分裂後の振幅 g l



 

液膜に生じる波の分散関係

液膜の不安定性により液膜から液糸に分裂する過程を記述

3 4 2 3 2 2

4

f

tanh(

) 2 4

f

tanh( )

0

l

k

kh

k l

lh

U k







 

 





Ref. N.Dombrowski, PC.Hooper, Chemical Engineering Science, Vol.17(1962), pp291-305

高速液膜流においては

同じとみなせる

ここで，液膜表面波の支配方程式を満たす

解およびは振動モードは2つ存在する．

(a)Sinuous Wave

(b)Dilational Wave

(b) Dilational wave (a) Sinuous wave

Sinuous Waveのみの振動を考える

Film Breakup

2

(20)

1

9 /

LISA(Linearized Instability Sheet

Atomization)model

液滴の代表径





1 6

1.88 1 3

D L

d



d



Oh

オーネゾルゲ数：

Oh





f

 

f

d

L

Rosin-Rammlerの分布関数

算出した代表粒径に分布関数を与える

液糸から液滴に分裂する過程を記述

算出したリガメント径から液滴の代表径を求める

液滴の粒径分布

代表粒径にを代入し，初期の粒径分布を与える

X

d

D

Atomization

3 1 exp

q

D

Q

X



_{ }



 

_



_{ }

_

 





D

：分布させる粒径

X

：代表粒径

q

：分布形状を決定する実験定数

D

：粒数頻度 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 Fr eq ue ncy di st ri but ion of dr opl et num be r [ - ] Droplet diameter D [µm] Default(q=0.35)のロジン・ラムラーの分布関数

1

9 /

0

50

100

100 Exp.

t/tinj=0.5

t/tinj=1.0

LISA-MTAB

KH-RT

Ax

ia

l d

is

ta

n

c

e

fro

m

n

o

z

le

t

ip

Z

[m

m

]

0 Radial distance from nozzle tip R [mm]

WAVE-MTAB

Tfuel=Tamb=room

tinj=2.812[ms] Pinj=1[MPa] Qinj=7.5[mg]

分裂モデル毎の噴霧画像比較

（Pinj=1MPa）

Droplet diameter

[μm]

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

(21)

1

9 /

80

0

80

0

80

0

80

0

80

0

80 t/t

inj

=0.25

t/t

inj

=0.5

t/t

inj

=0.75

t/t

inj

=1.0

A

x

ial

di

s

tan

c

e

fr

om

no

z

le

ti

p

Z

[m

m

]

Radial distance from nozzle tip R [mm]

◆ P

inj

=1MPa Q

inj

=30.0mg

Exp.

Cal.

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0 Droplet diameter

[μm]

噴霧画像（1MPa, LISA-MTAB model）

1

9 /

S

p

ra

y

t

ip

o

f

p

e

n

e

tr

a

tion

[

m

]

80

40

120

160

200

0

0.2

0.4

0.6 t/t

inj

[-]

0.8

1.0

0 分裂モデル毎の比較

（噴霧先端到達距離，平均粒径d10）

200

160

120

80

40

0

10

20

30

40

50 Distance from nozzle tip [mm]

d

10

[

μ

m]

Qinj=7.5mg Pinj=1MPa t/tinj=1.0 Qinj=7.5mg Pinj=1MPa tinj=2.812ms Exp. LISA-MTAB WAVE-MTAB KHRT Exp. LISA-MTAB WAVE-MTAB KHRT

PowerPoint プレゼンテーション

同志社大学 「エネルギー変換研究センター」

理工学部 機械系工学科 「噴霧・燃焼工学研究室」

千田二郎・松村恵理子

1. 当研究室でのモデリング研究の概要

2. CD-adapco 様との連携

３．ディーゼル噴霧の新たな微粒化モデルの提案

４．ガソリン噴霧の新たな微粒化モデルの提案

エンジンスプレーの分裂モデルの最適化

Optimization of Breakup Model in Engine Sprays

1．ディーゼル噴霧解析の取り組み

多成分蒸発噴霧解析

Senda(Iclass-2003)

＊SMAC-壁面衝突液滴解析（1981），振動圧力場のキャビ気泡解析（1983）

１ キャビテーション気泡群を考慮したディーゼル燃料噴射系解析（1990；千田）

２ 噴霧－壁面干渉モデル（1993～；千田）

３ 減圧沸騰噴霧モデル（０次元）（1993；千田）

４ 多成分燃料の気液平衡推算モデル（０次元）

（1993～；柴田・千田）

５．修正TAB分裂モデル（1996 ；段・千田）

６ 離散渦法を併用した噴霧解析（1996 ；段・千田）

７ 多成分燃料蒸発モデル（多次元）（2000 ～；川野・千田）

８ 壁面衝突モデルー多成分燃料対応

（2001；千田）と統合モデル（2002；松田・千田）

９ 化学反応動力学（CHEMKIN）適用すす生成モデル

（2002～；北村・千田）

10 Chem-KIVA(2003～；伊藤・千田）

11 減圧沸騰噴霧モデル（多次元）（2004～）（川野・千田）

12 Large Eddy Simulation（LES）

（2005～；堀・千田→現在＝分裂モデル；北口・藤井・千田）

13 ノズル内キャビテーションモデル

(2006～；和田・千田→現在；松本・千田・松村）

2. 株式会社CD-adapco様との連携

１．STAR Japanese Conferenceでの講演

＊2013.5－「壁面に衝突する燃料噴霧のモデリング」－千田

＊2013.12－「減圧沸騰噴霧の特性とモデリング 」－松村

＊2015.6－「多成分燃料噴霧の蒸発過程のモデル解析 」－千田

２．Star-CDへの同志社大学モデル実装の取組み

＊2013.5～壁面衝突モデルを実装

＊現在、減圧沸騰噴霧モデルの適用を実施中

＊今後、多成分燃料の蒸発モデル、

噴霧微粒化ハイブリッドﾓﾃﾞﾙ

およびキャビテーションモデルの適用を検討予定

３．モデル組込みの連携

＊2014.7～直噴ガソリン機関用マルチホールノズルの噴霧解析

＊2015.1～液膜噴霧の分裂過程にLISAモデルを適用(AICE)

３．ディーゼル噴霧の新たな微粒化モデルの提案

３－１．噴霧の分裂・微粒化モデル

３－２．改良TAB（MTAB)モデル

３－３．WAVE－MTABハイブリッドモデルによる

ディーゼル噴霧の解析例

分裂形態についての文献調査

0 < We < 11

Vibration breakup

80 < We < 350

Sheet-thinning breakup

We > 350

Catastrophic breakup

35 < We < 80

Multimode breakup

11 < We < 35

Bag breakup

0 < We < 12

Vibration breakup

12 < We < 20

Bag breakup

20 < We < 80

Multimode breakup

80 < We < 800

Stripping breakup

We > 800

Catastrophic breakup

KH model

RT model

液滴表面に働く周囲気体との速度差に起因

するKelvin-Helmholtzの不安定性による分

裂現象をモデル化

液相と気相との密度差に起因するRayleigh-Taylorの不安定性による分裂現象をモデル化

Breakup model （KH-RT model ）

KH model

同志社大学「エネルギー変換研究センター」

理工学部機械系工学科「噴霧・燃焼工学研究室」

１キャビテーション気泡群を考慮したディーゼル燃料噴射系解析（1990；千田）

２噴霧－壁面干渉モデル（1993～；千田）

３減圧沸騰噴霧モデル（０次元）（1993；千田）

４多成分燃料の気液平衡推算モデル（０次元）

６離散渦法を併用した噴霧解析（1996 ；段・千田）

７多成分燃料蒸発モデル（多次元）（2000 ～；川野・千田）

８壁面衝突モデルー多成分燃料対応

９化学反応動力学（CHEMKIN）適用すす生成モデル

＊2013.12－「減圧沸騰噴霧の特性とモデリング」－松村

＊2015.6－「多成分燃料噴霧の蒸発過程のモデル解析」－千田

：最速で成長するRT波の波長

：分裂前の液滴径

：実験定数