Numerical study of coherent structures of in-cylinder flow by a hybrid RANS/LES model

The present work focuses on the development and application of computational fluid dynamics (CFD) methods to the study of turbulent in-cylinder flow. The thesis work consists three parts. In the first part, a scale resolving turbulence model is further developed with more robust definition of the resolvable turbulence length scale, considering both spatial and temporal numerical resolution,which allows a dynamic damping/filtering behaviour and improved adaptivity to coarse mesh and large time step. In the second part,enhancement of dynamic mesh strategy is applied for faster mesh interfacing and better description of the moving mesh boundaries.The COUPLING/DECOUPLING mechanism of the dynamic mesh interfacing is optimized so that redundant renumbering of the grid points is avoided, the abstraction overhead from generic programming is also reduced. Validation of the developments made in the first two parts are performed through comprehensive comparison against experimental measurement and simulation results using the state of art RANS and LES turbulence models. It is confirmed that the proposed numerical methods are capable to resolve sufficient flow scales where the numerical resolution suffices, while recover to an computational efficient RANS model where the local grid reaches its coarse limit. In the final part the cycle-dependent engine flow is analysed by means of proper orthogonal decomposition (POD).The results confirm that the leading POD mode corresponds closely to the ensemble mean flow even for vector field.Energy transfer between coherent structures in different POD modes are also analyzed.

Il presente lavoro riguarda lo sviluppo e l'applicazione di metodi di fluidodinamica computazionale (CFD) allo studio del flusso turbolento interno ai cilindri di un motore a combustione interna. La tesi si suddivide in tre parti. La prima parte è incentrata sullo sviluppo del modello numerico per la risoluzione delle scale turbolente e, in particolare, sul criterio per l'identificazione delle scale turbolente da risolvere. Considerare sia la risoluzione spaziale che quella temporale nella loro definizione ha consentito uno smorzamento/filtraggio dinamico che ha reso il modello numerico applicabile a mesh lasche e passi temporali ampi. La seconda parte riguarda la generazione dinamica della mesh. Le modifiche apportate alla strategia di generazione della mesh hanno consentito un mesh coupling più veloce e una miglior descrizione delle boundaries. Il meccanismo di coupling/decoupling per l'interfacciamento della mesh dinamica è stato ottimizzato così da ridurne i costi computazionali e di coding. La validazione degli sviluppi descritti nelle prime due parti del lavoro è stata condotta tramite confronto con dati sperimentali e risultati di simulazioni ottenuti applicando i tradizionali modelli di tubolenza sia RANS che LES. Si è cosi dimostrato che i metodi numerici proposti permettono di risolvere le scale d'interesse a patto di una sufficiente risoluzione numerica, permettendo l'applicazione locale di un più efficiente modello RANS nei punti in cui la mesh è più lasca. Nella terza e ultima parte della tesi si analizza il funzionamento ciclico del motore attraverso il metodo di decomposizione ortogonale propria (POD). I risultati confermano che la prima componente POD corrisponde alle quantità medie del flusso. Si è inoltre analizzato il trasferimento di energia tra strutture coerenti identificate dalle varie componenti POD.