Sviluppo e applicazione di un solutore comprimibile per la simulazione 3D e 1D-3D di compressori centrifughi per la sovralimentazione dei motori a combustione interna

The Computational Fluid Dynamics , well known as CFD, is a simulation instrument used to analyze physical complex phenomena such as thermal and fluid dynamics cases. This method is applied to internal combustion engines in order to describe their operation and to visualize the fluid motion inside the component. The CFD 3D approach can capture, in detail, the component’s fluid dynamics but it requires a large amount of resources. In the last decades, 1D-3D approaches has been developed to represent the dynamics of a physical phenomenon in less time. The goal of this work thesis is the development and application of a compressible solver for 3D and 1D-3D simulations of turbocharger’s centrifugal compressor for internal combustion engines. The first part of the work describes the development of steady compressible solver used to characterize the compressor’s behavior at different rotational speed. The results has been compared with experimental data provided by ICE group of Genoa’s university to evaluate limits, advantages and future developments of the new solver. The second part of the work consists of unsteady compressible solver’s implementation in LibICE which is the library used to couple 1D-3D domains by ICE group of Politecnico di Milano. This application, that will be done in a future work, can capture the unsteadiness of the operating point of the centrifugal compressor .The boundary conditions and 1D domain has been numerically resolved by Riemann solver HLLC that permits instability’s propagation without compromising the accuracy of the results.

La fluidodinamica computazionale, nota anche come CFD, è uno strumento di simulazione utilizzato per analizzare fenomeni fisici complessi sia termici che fluidodinamici. Tale tecnica ben si presta ad essere applicata a motori a combustione interna per descriverne il funzionamento e per visualizzare il moto complesso di fluidi al loro interno. Un approccio CFD 3D se da un lato permette di cogliere nel dettaglio la fluidodinamica di un componente, dall’altro richiede un onere computazionale elevato e talvolta eccessivo. Negli ultimi anni codici accoppiati 1D-3D sono stati sviluppati per rappresentare la dinamica di un fenomeno fisico complesso in tempi minori. Lo scopo di questa tesi è lo sviluppo e l’applicazione di un solutore comprimibile per simulazioni 3D e 1D-3D di un compressore centrifugo per motori a combustione interna. La prima parte del lavoro descrive lo sviluppo di un solver stazionario utilizzato per caratterizzare il comportamento del compressore a differenti regimi di rotazione. I risultati sono stati poi confrontati con i dati sperimentali forniti dal gruppo ICEG dell’Università di Genova per metter in luce vantaggi, limiti ed eventuali sviluppi futuri. Il lavoro prosegue poi con l’implementazione del solutore instazionario nella cartella CoupledSolver nella libreria LibICE per impostare un futuro lavoro di accoppiamento 1D- 3D in grado di cogliere i fenomeni tempo-varianti tipici del compressore centrifugo. Le condizioni al contorno dei due domini sono state gestite con il solutore di Riemann HLLC che permette la propagazione delle disuniformità attraverso le interfacce del dominio senza compromettere l’accuratezza dei risultati.