Sviluppo di un approccio CFD per la modellazione di motori rotativi di tipo Wankel

The purpose of this Thesis is to develop a process in order to realize some fluid dynamics simulations with the open source software OpenFOAM, to analyze the fluid flow and the combustion process inside a Wankel rotary engine. It was necessary to adopt a mesh generation strategy, creating a mesh set that permits the description of a full rotor revolution, in order to simulate the typical rotary movement of the combustion chambers. This approach requires a specific remapping technique to interpolate fluid fields within consecutive meshes. Because this mesh-to-mesh interpolation techniques could affect the solution accuracy, different interpolation schemes were tested; the comparison of different methods allows to evaluate their own performance. Two-dimensional simulation of the three chambers was performed, introducing a leakage model able to replicate seals effect and to determinate the leakage between chambers. Moreover, a simplified thermodynamic model based on heat release law, was added in order to simulate combustion effect. Two different heat laws were tested and were compared with the available experimental data. The heat exchanges on engine surfaces were modelled introducing a mono-dimensional method originally developed for reciprocating engines. The simulations allow to determine the performances and the flow fields that characterized a Wankel rotary engine. The results of this work show good agreement with the experimental data and similar studies available in literature.

Lo scopo del presente progetto di tesi è quello di sviluppare e implementare una metodologia necessaria per effettuare delle simulazioni fluidodinamiche utilizzando il codice di calcolo OpenFOAM, al fine di analizzare il campo di moto e il processo di combustione che si instaurano all'interno un motore rotativo di tipo Wankel. Al fine di replicare il caratteristico moto rotatorio delle camere di combustione, è stato necessario fare ricorso ad una strategia di generazione delle griglie di calcolo in grado di realizzare un set di mesh che consentisse di descrivere un'intera rotazione del rotore. Questo approccio impone l'utilizzo di un'opportuna tecnica di rimappaggio che permetta di interpolare i campi fluidodinamici tra le diverse mesh. Poiché le tecniche di interpolazione potrebbero ridurre l'accuratezza della soluzione, è stato effettuato un confronto tra i metodi a disposizione al fine di valutarne le caratteristiche. Sono state realizzate delle simulazioni bidimensionali delle tre camere che compongono il motore, introducendo un modello di trafilamento in grado di replicare l'effetto delle tenute e di considerare il trafilamento del fluido tra camere adiacenti. Inoltre, per riprodurre gli effetti della combustione, è stato implementato un modello termodinamico semplificato basato sulla legge di rilascio del calore. Sono state pertanto introdotte nel codice due diverse leggi presenti in letteratura ed è stato effettuato un confronto con i dati sperimentali a disposizione. La modellazione degli scambi termici presenti sulle superfici del motore è stata riprodotta implementando un modello di scambio termico monodimensionale generalmente utilizzato per motori alternativi. Le simulazioni effettuate consentono di determinare le prestazioni e il campo di moto che caratterizzano un motore rotativo di tipo Wankel. I risultati ottenuti nel presente lavoro mostrano un buon accordo con i dati sperimentali a disposizione e i risultati ottenuti in studi analoghi.