Il metodo 3D Cell per la modellazione termo-fluidodinamica 1D dei motori a combustione interna

Nowaday the simulation of internal combustion engine is a more important element for the prevision of their characteristics. To be suited for this porpouse, the simulation must be precise, correct and very fast. This kind of problem is very complex and so it requires the risolution of Navier-Stokes equations in numerical form. To solve this, Politecnico of Milan developed the Gasdyn software in which engines are divided into 0D elements, which generate boundary conditions for ducts, that are modeled by projecting the equation along one coordinate. The aim of this thesis is conecting a numerical method named 3D Cell, a finite volume method, to the Gasdyn, making this method useful to model internal combustion engine. The transport of chemical species is implemented to the method, letting the simulations to be done not only in perfect gas approssimation, but also in ideal gas state. It's also proposed another implementation for the code to make it more stable in case of harsh discontinuities. In the first chapter, the conservation equations, classical numerical methods implemented in the Gasdyn code and the modeling of boundary conditions will be proposed. Then the 3D Cell method will be described with all the modifications implemented. In the third chapter the Shocktube tests will be proposed, a simple architecture which let to evaluate how the method can model the physical oscillations of the solution and how it can damp the numerical ones. In the last two chapters tests on one-cylinder engine anche more complex architectures will be presented, comparing the 3D Cell method to the classical ones, Law-Wendroff at first and then Corberan-Gascon. 3D Cell proprieties, an excellent mass conservation and a good stability of solution in respect to the variation of discretiziation of geometry, will be confirmed in this work, as in the previous thesys, and they will be exposed in the different tests.

Oggigiorno la simulazione dei motori a combustione interna è un elemento sempre più cruciale nella previsione delle loro caratteristiche. Per essere funzionale a tale scopo, la simulazione deve poter essere precisa, coerente e soprattutto veloce. Il fenomeno da modellare è complesso e prevede la risoluzione delle equazioni di Navier-Stokes per via numerica. Per risolvere tale problema, il Politenico di Milano ha sviluppato il software Gasdyn, nel quale il motore viene diviso in elementi 0D che generano condizioni al contorno per i condotti che invece vengono modellati proiettando le equazioni in una sola direzione. Lo scopo della tesi è quello di interfacciare un metodo numerico già valutato in una tesi precedente al codice madre , il 3D Cell, metodo ai volumi finiti, rendendo pertanto possibile l'ultizzo di quest'ultimo per la modellazione effettiva dei motori. E' stato implementato il trasporto di specie chimiche al metodo, permettendo di simulare non sono nella classica ipotesi di gas perfetto ma anche con l'approssimazione di gas ideale. Inoltre è stata proposta un'ulteriore modifica al metodo, tale da conferire una maggiore stabilità nei pressi delle discontinuità a gradino. Nel primo capitolo verranno presentate le equazioni di conservazione, i metodi numerici classici usati nel Gasdyn e come avviene la modellazione delle condizioni al contorno. Si passerà poi alla descrizione del metodo 3D Cell e delle modifiche necessarie per permetterne il corretto funzionamento. Nel terzo capitolo verranno presentati i test svolti sul tubo d'urto, un'architettura semplice che permette di valutare come il metodo sia capace di propagare le oscillazioni fisiche della soluzione e di smorzare invece quelle numeriche. Negli ultimi due capitoli si presenteranno i confronti su casi semplici, come i monocilindri, e poi più complessi, confrontando il 3D Cell con i metodi classici, dapprima Law-Wendroff e poi Corberan-Gascon. Le caratteristiche del 3D Cell, ovvero un'ottima conservazione della massa e una buona stabilità della soluzione rispetto alla variazione di mesh, già evidenziate in una tesi precedente, vengono pertanto confermate in questo lavoro e verranno esposte di volta in volta durante i vari test.