Aspetti modellistici e topologici nella simulazione del ciclo indicato di un motore alternativo con Openfoam = Modeling and topological aspects in the indicated cycle simulation of a reciprocating engine with Openfoam

Il settore dei trasporti è al giorno d’oggi il maggiore responsabile della produzione delle principali emissioni di inquinanti e dei gas serra. Questo aspetto negativo, insieme all’incessante volontà di migliorare il processo di combustione al fine di incrementarne l’efficienza, ha condotto i governi e la comunità scientifica a spingere la ricerca verso un processo di decarbonizzazione del settore dei motori a combustione interna. Tuttavia i motori diesel ancora giocano un ruolo importante nel garantire, se correttamente sviluppati, un futuro sostenibile. In questo scenario la simulazione fluidodinamica (CFD) rappresenta uno strumento essenziale in grado di sviluppare una metodologia capace di predire i moti della carica all’interno del cilindro e la loro influenza sul processo di mescolamento aria-combustibile. Nello studio è stata condotta un’analisi di simulazione cold-flow su un intero ciclo motore utilizzando il software open source OpenFOAM e il supporto della Lib-ICE, una libreria di modelli sviluppata dall’ICE group del Politecnico di Milano, specificamente per le simulazioni sui motori a combustione interna. L’obiettivo della tesi è quello di ottenere delle simulazioni il più possibili precise e che possano fornire in output il controllo delle principali grandezze fisiche che caratterizzano i processi di mescolamento dell’aria all’interno del cilindro e la seguente formazione dei campi di moto, così da gettare le basi per simulare l’iniezione di combustibile e il processo di combustione. I risultati ottenuti sono stati validati tramite confronto con i dati sperimentali, come la curva di pressione sull’intero ciclo, l’andamento della portata d’aria, il trend dello swirl ratio, la temperatura in camera di combustione. La mesh è stata sviluppata per riprodurre un motore diesel monocilindrico con accesso ottico del Sandia National Laboratories, dal quale sono presenti dei database con vari risultati sperimentali. La mesh è stata ottenuta garantendo un buon compromesso tra qualità e peso computazionale per il running della simulazione, che ricopre l’intero ciclo motore. E’ emerso che la curva di pressione durante la fase di aspirazione presenta un trend poco accurato rispetto ai dati sperimentali, dovuto alla scarsa qualità della mesh nella zona della sede valvola durante i primi angoli dopo l’apertura delle valvole di aspirazione. Sono stati in seguito discussi gli step necessari alla ottimizzazione della mesh stessa. Si è in seguito effettuata un’analisi sui modelli di scambio termico mediante l’utilizzo di wall functions per la corretta predizione dei flussi termici scambiati in camera di combustione e l’effetto che essi hanno sull’accuratezza dei risultati della simulazione. I campi di moto sono stati confrontati con le misurazioni PIV sperimentali al fine di valutare le strutture che la carica assume in camera di combustione. In ultimo, si sono analizzati gli effetti dei condotti tangenziale ed elicoidale nel promuovere i moti di swirl durante la fase di aspirazione e compressione.