Strategie di ottimizzazione geometrica 3D-CFD di componenti per motori ad alte prestazioni = Geometric Optimization Strategies for High-Performance Engine Components using 3D-CFD.

L'ibridizzazione delle auto ad alte prestazioni sta rivoluzionando il settore automobilistico, portando ad una trasformazione significativa nelle caratteristiche dei veicoli sportivi. Una delle tendenze più rilevanti in questo ambito è la sostituzione dei tradizionali motori aspirati con propulsori di cilindrata più piccola sovralimentati. Questo cambiamento non solo rappresenta una risposta all’evoluzione delle normative sulle emissioni, ma contribuisce anche a ridefinire il concetto di prestazioni nelle auto sportive, grazie alla maggiore potenza specifica dei propulsori sovralimentati che ha impatti positivi sulla percezione di sportività della vettura. La necessità di ottenere potenze specifiche e prestazioni sempre più elevate rappresenta una sfida in termini di ottimizzazione dei componenti motore, specie nel mercato automotive in cui le tempistiche di sviluppo sono estremamente ridotte. In questo contesto, il calcolo virtuale CAE (Computer Aided Engineering) riveste un ruolo fondamentale nello sviluppo dei motori in quanto consente l’ottimizzazione dei componenti già in fase di progettazione, con notevoli impatti positivi sulle tempistiche di sviluppo prodotto. In questo contesto, il presente lavoro di tesi, svolto presso POWERTECH Engineering S.r.l in collaborazione con Automobili Lamborghini S.p.A, ha come obiettivo l’ottimizzazione via 3D-CFD (Computational Fluid Dynamics) di componenti di motori ad accensione comandata ad alte prestazioni. Il presente studio si è focalizzato su due componenti in particolare: il WCAC (Water Charge Air Cooler) ed il condotto di aspirazione motore all’interno della testata. Nel WCAC l’obiettivo è ottimizzare l’indice di uniformità del flusso nella sezione di ingresso dello scambiatore di calore, attraverso la modifica della geometria a monte di tale sezione. Nello studio sono state adottate due metodologie: l’ottimizzazione topologica e l’ottimizzazione “Adjoint”. I risultati mostrano che l’ottimizzazione topologica porta ad una sovrastima delle prestazioni rispetto a quanto emerso nei calcoli di verifica, a causa di limitazioni dovute alla rappresentazione dei solidi come mezzi porosi. Invece, l’ottimizzazione “Adjoint”, deformando la superficie di una geometria esistente, permette di ottenere risultati più affidabili, e si è rivelata in grado di essere utilizzata per massimizzare le prestazioni del WCAC. Per quanto riguarda il condotto di aspirazione motore, le sue prestazioni sono sintetizzate da due coefficienti: di efflusso e di tumble. Il coefficiente di efflusso indica la permeabilità del condotto, mentre il coefficiente di tumble indica la capacità di generare turbolenza e agevolare la combustione. L’obiettivo dello studio è modificare la forma del condotto con il fine di ottimizzare il coefficiente di efflusso mantenendo il coefficiente di tumble al di sopra di una soglia. La metodologia di ottimizzazione adottata consiste nella parametrizzazione della geometria e nello svolgimento di esperimenti virtuali (Design of Experiment – DOE), i quali permettono di determinare i parametri geometrici che soddisfano gli obiettivi di prestazione. I risultati permettono di identificare la curva di Pareto che contraddistingue i coefficienti di efflusso e tumble, ed individuare un design di condotto che massimizza la prestazione di riempimento cilindro con sufficiente generazione di turbolenza.