Simulazione termo-fluidodinamica 1D di motori a c.i. mediante metodo 3Dcell : teoria e applicazioni

Nowaday, 1D simulation of internal combustion engines is commonly used, as it offers a good trade-off between accuracy and computational time. Goal of this thesis was to implement an up-to-date version of the 3Dcell method in the Gasdyn program by Politecnico di Milano, a method which unlike the most used computational methods is a finite volumes method and not a finite differences one. Furthermore, the FCT method for the control of the spurious oscillations is implemented in parallel with the pre-existing DTM, since 3Dcell is a second order method and so intrinsically unstable. Furthermore, the most common problems that rise from using a staggered approach are briefly presented. Given its peculiar structure, the 3Dcell method is expected to offer satisfactory results dealing with mass conservation in ducts witch variable geometry, and sequently satisfactory results in calculation of volumetric efficiency: the goal of the second part is verifying this hypothesis. First, the method is tested on the shocktube case, where a duct with air at two different thermodynamic conditions separated by a membrane that is at a certain point removed is simulated. In this way the ability of the 3Dcell to capture physical discontinuities in the solution is tested. Then, the method is tried on an engine with one cylinder, with special regards to its ability to correctly predict pressure waves at cylinder inlet. As a comparison a widely used and reliable method is used, the two steps Lax-Wendroff. After veryfing pressure waves are similarly calculated, and so the 3Dcell simulation is valid, the air mass flowing through the exaust duct is compared, finding out that this property is well conserved by the 3Dcell method. The whole analisys is conducted on increasingly large meshes, to find out how good this method is for short initial simulations of complex engines, to capture well air flow and volumetric efficiency with low computational time. The method offers reliable results in predicting the volumetric efficiency even with coarse meshes, veryfing our first hypothesis. Eventually, the same kind of analysis is applied to a single-cylinder engine with variable geometry ducts, and to a simplified four-cylinders engine, giving the same results. To conclude, the 3Dcell method has the right properties to become a valuable tool for quick simulations of complex engines, keeping satisfactory results with air flow rate and volumetric efficiency. A strengthening phase is anyhow mandatory, where the method is tested on a wide rage of engines, to verify how it interacts with different engine components modelled.

La simulazione 1D dei motori a combustione interna è oggi largamente utilizzata, per il buon compromesso che offre tra accuratezza e tempi di calcolo relativamente brevi. Obbiettivo della tesi è stato quello di aggiornare il codice Gasdyn elaborato dal Politecnico di Milano, per includere il metodo 3Dcell, che a differenza dei più utilizzati metodi alle differenze finite è un metodo ai volumi finiti. Viene inoltre affiancato al già presente metodo DTM un metodo FCT, per stabilizzare il metodo 3Dcell che essendo del secondo ordine è intrinsecamente instabile. Inoltre vengono brevemente presentate le problematiche che insorgono nell’utilizzare un metodo di calcolo con equazioni sfasate nello spazio e nel tempo. Per la sua particolare formulazione, ci si aspetta che il metodo offra risultati particolarmente buoni dal punto di vista della conservazione della massa e della previsione della efficienza volumetrica dei motori: nella seconda parte si vuole validare questa ipotesi. In prima istanza il metodo viene testato sul caso di tubo con gas a due condizioni termodinamiche diverse, separate da una membrana che viene rimossa ad un determinato istante, per verificare la capacità del metodo di cogliere le discontinuità nella soluzione. Si testa poi il metodo su motori monocilindrici, con particolare riguardo alla precisione nel calcolare le onde di pressione, confrontato con un altro metodo tipicamente utilizzato per questo tipo di simulazioni, il Lax-Wendroff a due passi. Trovato che le onde di pressione sono simili, e quindi la simulazione valida, si confronta la massa che transita nel condotto di scarico, verificando che questa è molto bene conservata dal metodo 3Dcell. L’intera analisi è svolta su mesh sempre più lasche, per testare quanto possa essere possibile utilizzare il metodo per brevi simulazioni iniziali di motori complessi, con mesh poco dettagliate e quindi brevi tempi di calcolo, senza compromettere la precisione della simulazione. Il metodo dimostra ottimi risultati sul calcolo dell’efficienza volumetrica anche su mesh lasche, verificando l’ipotesi iniziale. Lo stesso tipo di analisi viene applicata ad un monocilindro con variazione di sezione nei condotti, ed a un quattrocilindri semplificato, portando agli stessi risultati. In conclusione, il metodo può diventare un buono strumento per simulazioni veloci di motori semplici, che mantengano risultati buoni sui calcoli di portata. E’ però necessario un ulteriore irrobustimento su motori complessi, data la vasta gamma di elementi modellati.