1D fluid dynamic modelling of unsteady flows with transport of chemical species in IC engine duct systems

This thesis work is about modelling and computing unsteady gas flow in internal combustion engine ducts. The current available theory and numerical methods used to model internal combustion engines are presented. The goal of the work is improving the theory and the computer code for the modelling of unsteady gas dynamic on the boundary regions in the case of transport of specie. Two main activities are performed to achieve this objective. In the first part of this thesis it is developed an improved theoretical model of junction for the case of transport of specie based on the constant pressure model proposed by Benson which was developed for perfect gas flow. Hence the existing model of junction is described, and the new model is derived under a different hypothesis then the one used by the already existing model. Then the new model is implemented in the software Gasdyn written with the programming language Fortran. The software is internally developed by the internal combustion engine research group in Politecnico di Milano. The new model is then tested on a junction of an engine and the results are discussed. The new model of junction shows better results as expected. The new model is then validated also with air and natural gas injection and the improvements are presented. In the second part of the work it is presented a modified approach to the numerical method so called Method of Characteristics and it is also proposed an application of this new method to path lines. Then the new Method of Characteristics is implemented in the code Gasdyn. Validations test are then performed, then the results are discussed. The result of the work is the improvement of the available theory to describe boundary conditions with specie transport and improvement of the code’s performances.

Nel presente lavoro di tesi si è lavorato sulla modellazione fluido dinamica e la simulazione numerica dei motori a combustione interna. La potenza dei calcolatori odierni ha reso possibile risolvere numericamente il sistema di equazioni che descrive il moto di un fluido e sono presentate le metodologie utilizzate nel caso specifico della simulazione di ICE. Lo scopo del presente lavoro di tesi è migliorare la modellazione delle condizioni al contorno quando il fluido di lavoro è modellato come gas ideale e quindi le sue proprietà sono funzione di temperature e composizione chimica locale. Nella prima parte del lavoro è presentato un nuovo modello di giunzione tra condotti, basato sul modello proposto da Benson, per un fluido modellato come gas ideale. Il nuovo modello è stato implementato nel codice sviluppato negli anni internamente al Politecnico di Milano chiamato Gasdyn con il linguaggio Fortran. Dai test di validazione effettuati è possibile evidenziare che il nuovo modello di giunzione fornisce risultati migliori. Infine, è presentato una modifica ad un metodo numerico proposto da Corberàn per applicare il metodo delle caratteristiche alle regioni di confine del dominio. Anche quest’ultima modifica è implementata nel codice Gasdyn e sono effettuati dei test per verificare gli eventuali miglioramenti. Complessivamente, il seguente lavoro ha portato a notevoli miglioramenti nello sviluppo della modellazione teoria e del codice Gasdyn tuttora utilizzati per la simulazione mono dimensionale di motori a combustione interna.