Multidimensional simulation of moving geometries with topological changes by an open source CFD code

The recent need for the simulation of turbulent compressible flows in complex geometries, such as internal combustion engine and injector nozzles, requires algorithms able to handle dynamic grids with topological changes. The aim of this work is the development of an efficient meshing generation strategy by ANSYS ICEM CFD that is suitable for a dynamic mesh handling based on topological changes in OpenFOAM. Two cases have been considered: a flat-top cylinder head engine with a fixed axis-centered valve and a transparent combustion chamber (TCC) engine. Afterward, time-resolved fluid dynamic simulations in OpenFOAM, using the DLRM turbulence model, have been performed. For the first case, mean axial velocity and rms velocity has been compared with LES and experimental measurements. In the second case, only cylinder compression and expansion have been simulated: instantaneous cylinder pressure and volume, calculated, have been compared with experimental ones.

La necessità di simulare flussi comprimibili turbolenti in geometrie complesse, come motori a combustione interna e ugelli di iniettori, richiede algoritmi capaci di gestire griglie dinamiche con cambiamenti topologici. L'obiettivo di questo lavoro di tesi è sviluppare un'efficiente strategia per la generazione di una griglia di calcolo non strutturata a blocchi, basata su superfici non-conformi e compatibile con OpenFOAM, mediante il codice commerciale ANSYS ICEM CFD. Due casi sono stati analizzati: un motore con pistone a testa piatta con valvola centrata sull'asse di moto del pistone ed un motore a valvole verticali con camera di combustione trasparente. Per entrambi i casi sono state condotte simulazioni mediante il codice di calcolo open-source OpenFOAM, usando un modello di turbolenza ibrido RANS/LES chiamato DLRM. Per il primo caso di studio sono stati simulati otto cicli motore ed i risultati, in termini velocità media assiale e deviazione standard su piani mediani interni al cilindro, sono stati confrontati con i dati sperimentali. Per la seconda geometria è stata simulata una compressione seguita da un'espansione; anche in questo caso, i valori istantanei, calcolati, di pressione e volume del cilindro sono stati confrontati con i dati sperimentali.