Novel approaches for CFD modeling of diesel engines

The present work focuses on the development of computational tools to model Diesel sprays in both constant volume vessels and engine applications in the context of RANS simulations. Particular attention is dedicated to Eulerian-Lagrangian modeling of sprays: liquid-gas interaction and breakup mechanisms are deeply investigated and a new approach for exchange of mass, momentum and energy between the phases is presented. Detailed description of development, implementation, testing and validation of the new methodology is discussed and results are evaluated comparing them with an available set of experimental data. A novel methodology for automatic Cartesian grids generation is then presented and the application of it to both open "cold flow" and closed cycles is discussed. Different mesh sizes and discretization orders are evaluated and a validation of the mesh generation algorithm is proposed by means of comparison to both academic and industrial cases. All the models used in this work were implemented within the OpenFOAM framework, as a contribution to the library "Lib-ICE", developed by the Internal Combustion Engine group of the Energy Department of Politecnico di Milano.

Il presente lavoro è incentrato sullo sviluppo di strumenti numerici per la modellazione di spray Diesel in applicazioni per motori a combustioni interna e camere a volume costante per mezzo di simulazioni RANS. Un'attenzione particolare è stata dedicata alla modellazione Euleriana-Lagrangiana degli spray: interazione liquido-gas e meccanismi di breakup sono affrontati in dettaglio e viene presentato un nuovo approccio per la descrizione dei meccanismi di scambio di massa, quantità di moto ed energia. Viene fornita una descrizione dettagliata di sviluppo, implementazione, test e validazione della nuova metodologia e con valutazione dei risultati per mezzo di confronti con dati sperimentali. Successivamente si presenta una nuova metodologia per la generazione automatica di mesh Cartesiane e ne si mostra l'applicabilità sia per cicli aperti trascinati che per cicli chiusi coinvolgenti iniezione di combustibile e combustione dello stesso. Diverse dimensioni e strutture di mesh così come diversi ordini di discretizzazione delle equazioni sono analizzati e discussi per mezzo di una validazione con confronti sperimentali disponibili per casi accademici e industriali. Ogni modello è stato implementato nell'ambiente OpenFOAM come contributo alla libreria "Lib-ICE" sviluppata dalla sezione di Motori a Combustione Interna del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano.