Computational study and optimization of flow and combustion processes in marine engines operating with heavy fuel oil

Abstract

Heavy Fuel Oil (HFO) is the predominant marine fuel. Its future use will be affected by theglobal 0.50% sulfur cap entering into force in 2020. It is widely accepted nowadays thatComputational Fluid Dynamics (CFD) studies can substantially contribute to understanding andoptimizing engine aerothermochemistry, provided that the key in-cylinder processes, namely,spray break-up, evaporation, fuel-air mixing, ignition and combustion, are properly accountedfor in the frame of CFD modeling. The present thesis constitutes an extensive computationalCFD study of non-reactive and reactive HFO spray physics in the context of marine engines,including applications of optimizing HFO injection in large two-stroke marine engines. The studyis supported by experiments.In this frame, a new integrated model for calculating the thermophysical properties of marineHFO has been developed in the present work. The model considers HFO as an equivalent onecomponent heavy petroleum fraction with undefined composition, and requires as input fourvalues of fuel bulk properties, commonly measured at fuel bunkering. Thus, the model accountsfor any HFO quality stored onboard a vessel. The model predicts a large set of fuel propertiesrelevant for engine CFD studies, including temperature dependence. Further, model validationis performed by means of measurements of a number of properties of different HFO qualities.Next, the new model is applied to calculate the thermophysical properties of seven widely usedmarine heavy fuel grades as prescribed by ISO 8217:2010. Also, the model is tested with CFDsimulations of non-reactive HFO spray flow in a large constant volume chamber, and the resultsare compared against recent experiments. Here, spray modeling is based on a properadaptation of the cascade atomization and drop break-up (CAB) model. All computationalresults are in very good agreement with experiments.Moreover, the new detailed model of HFO thermophysical properties is utilized for extensiveCFD studies of HFO ignition and combustion in a large spray combustion chamber (SCC) andin a large marine engine; results are compared against existing and recent experiments, for twoHFO qualities. A new kinetic model accounting for HFO aromaticity is developed and used forignition modeling. Computational results are reported for reactive spray flow in the SCC, andare in good agreement with experimental data. The effects of HFO preheating on spraydevelopment are demonstrated. Finally, simulation results in a large marine engine are in goodagreement with experiments in terms of pressure, heat release rate and pollutant emissions.Overall, the present modeling is shown to be appropriate for detailed CFD studies of HFO sprayflow and combustion in marine engines.In a final step, multi-objective optimization is deployed to investigate the effects of a threepulse HFO injection strategy (pilot-, main- and post-injection) on Specific Fuel Oil Consumption(SFOC) and the final concentration of nitric oxides (NOX) and soot of a large two-stroke marineengine. An optimization procedure including unconstrained and constrained problems isformulated, by coupling the present modified KIVA-3 based CFD code with an optimization toolbased on Evolutionary Algorithms (EAs). For both problems, significant reductions in pollutantemissions are attained, in comparison to a reference case characterized by HFO continuousinjection; for the constrained problem, the reductions reach 15% and 11% for NOX and soot,respectively.In total, the work presented in the current thesis accounts for the following: Development of the new model of HFO thermophysical properties. The new model canaccount for the thermophysical properties of any bunkered oil, based on the commonlymeasured fuel properties: (a) density, (b) kinematic viscosity, and (c) sulfur content. Validation of the new model deploying measurements of HFO samples. Application ofthe new model to the calculation of thermophysical properties of the HFOs utilized inexperiments in a large spray chamber, performed by ETH Zürich and Winterthur Gas & Diesel (newly named since January 2015, formerly known as Wärtsilä SwitzerlandLtd.). Extension of the fuel library of the KIVA-3 CFD code by adding several HFO qualities. Further development of the ETAB spray model, in the frame of the CAB model, in theKIVA-3 CFD code, for HFO sprays. Application of the new model to the calculation of thermophysical properties of marineHFO qualities prescribed by the ISO8217:2010, in particular: 10RMA, 30RMB, 80RMD,180RMG, 380RMK, 500RMK and 700RMK. CFD studies of non-reactive HFO sprays in a large spray chamber, under evaporatingconditions, including a cross-evaluation of the Enhanced Taylor Analogy Break-up(ETAB) and CAB models. A new kinetic model accounting for HFO aromaticity, developed and implemented inthe KIVA-3 CFD code, for ignition modeling. CFD studies of non-reactive non-evaporating and evaporating HFO sprays in a largespray chamber, and comparison against the experiments performed by ETH Zürichand Winterthur Gas & Diesel, as well as other literature data. The effects of HFOpreheating on spray development are also demonstrated. CFD studies of combustion in SCC for poor and good ignition quality HFOs, andcomparison of results against experiments. A very good agreement betweencomputational results and experiments in terms of ignition delay and location isdemonstrated. CFD studies aiming at formulating a reference case of HFO combustion in a large twostroke marine engine. Very good trends between computational results andexperiments are achieved, in terms of pressure, heat release rate and pollutantemissions. The effect of HFO preheating is also considered. CFD studies of HFO combustion in large two-stroke marine engines, implementingadvanced injection strategies in the frame of mutli-objective optimization, aiming at thesimultaneous minimization of engine emissions and Specific Fuel Oil Consumption(SFOC).The presentation of work is organized in eleven chapters. Chapter 1 discusses thecharacterization of HFO, and presents the motivation for the present work. Detailed informationon air pollutants and emission regulations in the context of marine industry is presented inChapter 2. The development and validation of the new integrated thermophysical propertiesmodel of HFO are presented in Chapters 3 and 4, respectively. Chapter 5 presents the recentexperimental studies utilized for validation, as well as the CFD modeling adopted, including theintroduction of HFO ignition model. In Chapter 6, the CFD non-reactive and reactive studies ofHFO sprays in SCC are presented in detail. The CFD studies of HFO combustion in a twostroke marine engine (formulation of a HFO reference case) are discussed in Chapter 7.Chapter 8 includes the formulation of optimization studies in terms of advanced HFO injectionstrategies, as well as the discussion of results. The novelty of the present work is discussed inChapter 9. In Chapter 10, the main conclusions of the present study are summarized.Suggestions for future work are presented in Chapter 11. Finally, the list of references ispresented.

Το βαρύ ναυτιλιακό καύσιμο (Heavy Fuel Oil - HFO) είναι το κυρίαρχο ναυτιλιακό καύσιμο.Η μελλοντική χρήση του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου θα επηρεαστεί σημαντικά από τονκανονισμό που αφορά στη μέγιστη επιτρεπόμενη επί τοις εκατό κατά βάρος περιεκτικότητατου θείου στο καύσιμο. Αναφορικά με την ωκεανοπορεία, το ισχύον όριο είναι 3.5%, ενώ απότην 1/1/2020 έχει προγραμματιστεί από τον Διεθνή Ναυτιλιακό Οργανισμό (InternationalMaritime Organization - IMO) αυτό να μειωθεί στο 0.5%. Σήμερα, η υπολογιστική μελέτηφαινομένων ροής και καύσης σε ναυτικούς κινητήρες Diesel μπορεί να υποστηριχθεί από τηχρήση εργαλείων Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (Computational Fluid Dynamics - CFD). ΗΥπολογιστική Ρευστοδυναμική συμβάλλει σημαντικά στην κατανόηση και βελτιστοποίηση τωνθερμορευστομηχανικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στον κύλινδρο των ναυτικώνμηχανών. Επίσης, η αξιόπιστη αποτύπωση της θερμορευστομηχανικής σε εφαρμογέςναυτικών κινητήρων είναι στόχος υψηλού ενδιαφέροντος αλλά και υψηλής δυσκολίας, καθώςαπαιτεί την ανάπτυξη φυσικών μοντέλων για την περιγραφή: (α) της τύρβης στην αέριαφάση, (β) της διφασικής ροής του spray καυσίμου (πρωτογενής και δευτερογενής διάσπαση,εξάτμιση), (γ) της έναυσης, και (δ) της καύσης. Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί μιαεκτενή μελέτη Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής που αφορά στη μη-αντιδρώσα (non-reactive)και στην αντιδρώσα (reactive) ροή του spray του βαρέος καυσίμου σε εφαρμογές ναυτικώνκινητήρων. Επίσης, περιλαμβάνει μελέτες βελτιστοποίησης του προφίλ έγχυσης του βαρέοςκαυσίμου μεγάλων δίχρονων ναυτικών κινητήρων Diesel. Η αξιολόγηση των αριθμητικώναποτελεσμάτων της παρούσας εργασίας βασίζεται στη σύγκριση αυτών με πειραματικάδεδομένα.Σε αυτό το πλαίσιο, στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκε ένα νέοολοκληρωμένο μοντέλο για τον υπολογισμό των θερμοφυσικών ιδιοτήτων βαρέος ναυτιλιακούκαυσίμου. Το μοντέλο κάνει χρήση της παραδοχής μονοσυστατικού υγρού με μηπροσδιορισμένη σύνθεση, απαιτεί δε ως είσοδο τέσσερις τιμές θερμοφυσικών ιδιοτήτων οιοποίες είναι διαθέσιμες από την ανάλυση λαμβανόμενου κατά την πετρέλευση δείγματος. Μεβάση τα συγκεκριμένα δεδομένα εισόδου, το αναπτυχθέν μοντέλο είναι ικανό να αναπαράγειτις θερμοφυσικές ιδιότητες οποιασδήποτε ποιότητας βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Τομοντέλο υπολογίζει τις τιμές ενός ευρέος φάσματος θερμοφυσικών ιδιοτήτων,συμπεριλαμβανόμενης της θερμοκρασιακής εξάρτησης αυτών. Περαιτέρω, για τηνπιστοποίηση του μοντέλου πραγματοποιήθηκαν εργαστηριακές μετρήσεις διαφορετικώνποιοτήτων βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Εν συνεχεία, το νέο μοντέλο εφαρμόστηκε για τονυπολογισμό των θερμοφυσικών ιδιοτήτων επτά διαφορετικών, ευρέως χρησιμοποιούμενων,ποιοτήτων βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου, όπως αυτές προδιαγράφονται από το διεθνέςπρότυπο ISO 8217:2010. Επίσης, η ακρίβεια του μοντέλου ελέγχθηκε με υπολογισμούς τηςμη αντιδρώσας και της αντιδρώσας ροής spray βαρέος καυσίμου σε μεγάλο θάλαμο καύσηςσταθερού όγκου, με σύγκριση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων με αντίστοιχα πειραματικά.Στην παρούσα διατριβή, το μοντέλο spray που χρησιμοποιήθηκε στις προσομοιώσειςβασίζεται σε κατάλληλη προσαρμογή του μοντέλου CAB. Η σύγκριση των αριθμητικώναποτελέσματων που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις της μη-αντιδρώσας και τηςαντιδρώσας ροής σε μεγάλο θάλαμο καύσης σε σχέση με τα πειραματικά δεδομένα ήτανπολύ καλή.Επιπροσθέτως, το νέο μοντέλο θερμοφυσικών ιδιοτήτων χρησιμοποιήθηκε για ενδελεχείςμελέτες Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής που αφορούν στην έναυση και καύση του βαρέοςναυτιλιακού καυσίμου σε μεγάλο θάλαμο καύσης σταθερού όγκου και σε μεγάλο δίχρονοναυτικό κινητήρα. Τα αριθμητικά αποτελέσματα που προέκυψαν συγκρίθηκαν μεπροϋπάρχοντα και νέα πειραματικά δεδομένα δύο διαφορετικών ποιοτήτων βαρέοςναυτιλιακού καυσίμου. Στη διατριβή αναπτύχθηκε ένα νέο μοντέλο χημικής κινητικής για τημοντελοποίηση της έναυσης του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου, το οποίο λαμβάνει υπόψη τηναρωματικότητα του καυσίμου. Τα αριθμητικά αποτελέσματα που αφορούν στην καθυστέρηση έναυσης του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου σε μεγάλο θάλαμο καύσης είναι σε πολύ καλήσυμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα. Ακολούθως, καταδεικνύονται οι επιδράσεις τηςπροθέρμανσης του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου στην εξέλιξη της ροής του spray. Τααριθμητικά αποτελέσματα που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις σε μεγάλο δίχρονοναυτικό κινητήρα είναι σε πολύ καλή συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα αναφορικά με:(α) την πίεση, (β) τη θερμοκρασία, (γ) τον ρυθμό έκλυσης θερμότητας, και (δ) τις εκπομπέςτων ρύπων. Το σύνολο των αριθμητικών αποτελεσμάτων όσον αφορά στη μοντελοποίησητων θερμοφυσικών ιδιοτήτων του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου αλλά και στις εκτενείς μελέτεςΥπολογιστικής Ρευστοδυναμικής κατέδειξαν ότι η παρούσα προσέγγιση είναι κατάλληλη γιαπροσομοιώσεις ροής και καύσης του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου σε ναυτικούς κινητήρες.Τέλος, πραγματοποιήθηκε πολυκριτηριακή βελτιστοποίηση για τη διερεύνηση τηςεπίδρασης της στρατηγικής έγχυσης με χρήση τριπλού παλμού του βαρέος καυσίμου(προέγχυση, κύρια έγχυση, μετέγχυση) στην ειδική κατανάλωση του καυσίμου (Specific FuelOil Consumption-SFOC), στα τελικά επίπεδα συγκέντρωσης των οξειδίων του αζώτου (NOx)και στις εκπομπές των σωματιδίων αιθάλης (soot) σε έναν μεγάλο δίχρονο ναυτικό κινητήρα.Η διαδικασία βελτιστοποίησης πραγματοποιήθηκε με σύζευξη ενός κατάλληλαδιαμορφωμένου κώδικα Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής, με βάση τον κώδικα KIVA-3, μεέναν κώδικα βελτιστοποίησης βασισμένο σε Εξελικτικούς Αλγορίθμους (EvolutionaryAlgorithms - EAs). Η βελτιστοποίηση περιέλαβε βελτιστοποίηση χωρίς περιορισμούς καιβελτιστοποίηση με περιορισμούς. Τα αποτελέσματα που παρήχθησαν και από τα δύοπροβλήματα της βελτιστοποίησης (πρόβλημα με περιορισμούς, πρόβλημα χωρίςπεριορισμούς) κατέδειξαν σημαντική ταυτόχρονη μείωση των εκπομπών των οξειδίων τουαζώτου και των σωματιδίων αιθάλης σε σχέση με μια περίπτωση αναφοράς,χαρακτηριζόμενη από συνεχές προφίλ έγχυσης βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Συγκεκριμένα,για την περίπτωση της βελτιστοποίησης με περιορισμούς η ταυτόχρονη μείωση των οξειδίωντου αζώτου και των σωματιδίων της αιθάλης ήταν 15% και 11%, αντίστοιχα.Η συνολική έρευνα της παρούσας διδακτορικής διατριβής συνοψίζεται ως ακολούθως: Δημιουργία ενός νέου μοντέλου για την παραγωγή των θερμοφυσικών ιδιοτήτων τουβαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Το παρόν μοντέλο δύναται να παραγάγει τιςθερμοφυσικές ιδιότητες οποιασδήποτε ποιότητας βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Ουπολογισμός των θερμοφυσικών ιδιοτήτων βασίζεται σε τέσσερις τιμέςθερμοφυσικών ιδιοτήτων, οι οποίες είναι διαθέσιμες από την ανάλυση λαμβανόμενουκατά την πετρέλευση δείγματος: (α) πυκνότητα, (β) κινηματικό ιξώδες σε δύοθερμοκρασίες, και (γ) επί τοις εκατό κατά βάρος περιεκτικότητα σε θείο. Αξιολόγηση του νέου μοντέλου πραγματοποιώντας πειραματικές μετρήσεις πουαφορούν σε θερμοφυσικές ιδιότητες του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Εφαρμογήτου παρόντος μοντέλου για τον υπολογισμό των θερμοφυσικών ιδιοτήτων βαρέωνναυτιλιακών καυσίμων που χρησιμοποιήθηκαν σε πειραματικές μετρήσεις πουπραγματοποιήθηκαν από το Ομοσπονδιακό Πολυτεχνείο της Ζυρίχης (ETH Zürich)και τη Winterthur Gas & Diesel (πρόσφατη μετονομασία της Wärtsilä Switzerland Ltd.,από τον Ιανουάριο του 2015 και εξής) σε μεγάλο θάλαμο καύσης σταθερού όγκου. Επέκταση της βιβλιοθήκης των καυσίμων του κώδικα ΥπολογιστικήςΡευστοδυναμικής KIVA-3, με πρόσθεση διαφόρων ποιοτήτων βαρέος ναυτιλιακούκαυσίμου. Περαιτέρω ανάπτυξη του μοντέλου spray ΕΤΑΒ στο πλαίσιο του μοντέλου spray CABστον κώδικα KIVA-3, ώστε να προβλέπεται ακριβέστερη εξέλιξη της διάσπασης τουspray βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Εφαρμογή του νέου μοντέλου για τον υπολογισμό των θερμοφυσικών ιδιοτήτωνποιοτήτων βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου όπως αυτές προδιαγράφονται από τοδιεθνές πρότυπο ISO 8217:2010: 10RMA, 30RMB, 80RMD, 180RMG, 380RMK,500RMK and 700RMK. Μελέτη Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής της μη-αντιδρώσας ροής του βαρέοςναυτιλιακού καυσίμου σε μεγάλο θάλαμο καύσης σταθερού όγκου σε συνθήκεςεξάτμισης. Η μελέτη συμπεριέλαβε και την αξιολόγηση της συμπεριφοράς τουμοντέλου spray ΕΤΑΒ σε σχέση με τη συμπεριφορά του μοντέλου spray CAB. Ανάπτυξη ενός νέου μοντέλου χημικής κινητικής, λαμβάνοντας υπόψη τηναρωματικότητα του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Εφαρμογή του νέου μοντέλουχημικής κινητικής στον κώδικα KIVA-3 για τη μοντελοποίηση της έναυσης του βαρέοςναυτιλιακού καυσίμου. Μελέτη Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής της μη-αντιδρώσας ροής, μη-εξατμιζόμενηςκαι εξατμιζόμενης, του spray βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου σε μεγάλο θάλαμο καύσηςσταθερού όγκου. Σύγκριση των αριθμητικών αποτελεσμάτων με πειραματικάδεδομένα των ομάδων του Ομοσπονδιακού Πολυτεχνείου της Ζυρίχης (ETH Zürich)και της Winterthur Gas & Diesel, καθώς και με δεδομένα της βιβλιογραφίας. Στημελέτη περιλαμβάνεται και η επίδραση της προθέρμανσης του βαρέος ναυτιλιακούκαυσίμου στη δυναμική της ροής του spray. Μελέτη Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής της καύσης ποιοτήτων βαρέος ναυτιλιακούκαυσίμου με χαμηλή και καλή ποιότητα ανάφλεξης σε μεγάλο θάλαμο καύσηςσταθερού όγκου. Τα αριθμητικά αποτελέσματα συγκρίθηκαν με πειραματικάδεδομένα. Παρατηρήθηκε πολύ καλή σύγκλιση των αριθμητικών αποτελεσμάτων μετις πειραματικές μετρήσεις, όσον αφορά στον χρόνο καθυστέρησης έναυσης, καθώςκαι στην περιοχή της έναυσης. Μελέτη Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής με στόχο τη δημιουργία μιας περίπτωσηςαναφοράς για την καύση βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου σε μεγάλο δίχρονο ναυτικόκινητήρα. Επιτεύχθηκε πολύ καλή σύγκλιση μεταξύ αριθμητικών αποτελεσμάτων καιπειραματικών δεδομένων αναφορικά με: (α) την πίεση, (β) τον ρυθμό έκλυσηςθερμότητας, και (γ) τις εκπομπές των ρύπων. Στη μελέτη συμπεριλήφθηκε ηεπίδραση της προθέρμανσης του βαρέος ναυτιλιακού καυσίμου. Μελέτη Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής για την καύση βαρέος ναυτιλιακού καυσίμουμε χρήση προηγμένων τεχνικών έγχυσης του καυσίμου, στο πλαίσιο πολυκριτηριακήςβελτιστοποίησης με στόχο την ταυτόχρονη μείωση των ρύπων και της ειδικήςκατανάλωσης καυσίμου.