Validation of a CFD methodology including mesh generation and combustion modeling for heavy duty Diesel engines

In the last years, a detailed analysis of the injection and combustion processes has become fundamental to obtain better results in terms of efficiency and pollutant emissions, which are regulated every year by stricter normative, in particular for Diesel engines. Hence, the possibility to use CFD analysis for the design phase, previously validated by means of comparisons with experimental data, becomes fundamental. In that context, this thesis shows the validation of a computational fluid dynamics (CFD) methodology for heavy-duty Diesel engines. After an introduction on internal combustion engines, with a focus on Diesel engines, theoretical basis of fluid dynamics are presented, together with the models used for the simulation of injection and combustion processes. Then, a new code, based on Matlab software, for the prediction of the mass fuel injection law is presented. Thanks to the collaboration with FPT Industrial it was possible to have all the information on the geometries and on experimental data related to Cursor 11 engine. Later, the mesh generation process is analyzed in detail, by means of open-source OpenFOAM software, since it influences deeply the spray and the flame development in the combustion chamber; in particular two different types of grid are compared: Cartesian and spray-oriented. Different engine operational points were simulated using the mRIF combustion model, which takes into account detailed chemistry and chemistry-turbulence interaction. Finally, simulated and experimental data are compared in order to have the validation of the models used: pressure trend and heat released are reproduced correctly, whereas NOx and CO emissions results are not satisfactory.

Negli ultimi anni, un'analisi dettagliata del processo di iniezione e di combustione si è resa necessaria per riuscire a ottenere dei risultati sempre migliori in termini di efficienza e di emissioni di inquinanti, regolati da norme ogni anno più stringenti, in particolare per quanto riguarda il Diesel. La possibilità di utilizzare analisi CFD per la fase di progettazione, precedentemente validate tramite confronto con dati sperimentali, diventa quindi di fondamentale importanza. In questo contesto, la presente tesi mostra la validazione di una metodologia per la simulazione di motori Diesel heavy duty tramite fluidodinamica computazionale (CFD). Dopo una introduzione sui motori a combustione interna, con un particolare focus sui Diesel, sono presentate le basi teoriche di fluidodinamica e dei modelli usati per la simulazione del processo di iniezione e di combustione. Successivamente, viene illustrato un nuovo codice, basato sul software Matlab, per la predizione della legge di iniezione della massa di carburante. Grazie alla collaborazione con FPT Industrial è stato possibile avere tutte le informazioni su geometrie e dati sperimentali relative al motore Cursor 11. In seguito, viene analizzato nel dettaglio il processo di generazione della griglia di calcolo, tramite il software open-source OpenFOAM, data la sua forte influenza sullo sviluppo dello spray e della fiamma all'interno della camera di combustione; in particolare vengono confrontate due tipologie di mesh: Cartesiana e spray-oriented. Diversi punti operativi del motore sono stati simulati utilizzando il modello di combustione mRIF, il quale tiene contro dei meccanismi di chimica dettagliata e interazione chimica-turbolenza. I dati simulati e sperimentali sono infine comparati per validare i modelli utilizzati: curve di pressione e rilascio di calore sono stimati con una buona precisione, mentre i livelli di emissione di NOx e CO non sono del tutto soddisfacenti.