The 1Dcell numerical method for a fast fluid dynamic simulation of IC engines

During last years, the importance to predict correctly the engine behaviour is significantly grown, led by the necessity both to enhance design and performances and to reduce pollutant emissions. These goals have opened on to the development of several approaches in the numerical simulations of the internal combustion engines, ranging form fully 3D to simplified 1D models. The 1D Cell method, developed specifically for the software Gasdyn in Politecinco di Milano, is a quasi-3D approach that arises between the high time-demanding 3D CFD analysis and the fast but less accurate 1D model. The solution of this method is based on a staggered grid approach: the equations of mass and energy are solved at cell centres, whereas the momentum equation is applied to cell connectors. Navier-Stokes equation along the main flux direction, strategy that is already used by other methods implemented in Gasdyn. In the first chapter the fundamentals equations and the classic numerical methods to solve them are presented. The aim of this work is though to improve the 1D Cell method, firstly adding the capability to catch and solve supersonic fluxes, secondly focusing on the coupling with the classic boundary conditions, that, until now, needed a specific routine. Furthermore, a new procedure for the evaluation and updating of the solution vectors W as well as a new routine able to recognise and manage eventual changes in the mesh dimension, have been proposed, leading to significant improvements in the accuracy of the predictions. At last, the code has been tested on different engines firstly with a fine mesh to check the reliability of the modifications, secondly enlarging the meshes to 5 and 10 cm with a view to reduce significantly the computational time, aiming to a Fast-Running model. All these works are validated by means of several Gasdyn simulations and comparisons with a reliable method, i.e. the Corberan-Gascon-TVD, and will be presented during the dissertation of this thesis.

Nel corso degli ultimi anni, l’importanza nel predire correttamente il comportamento dei motori a combustione interna è ampiamente cresciuto, legato sia alla necessità di migliorare il design e le prestazioni degli stessi, sia alla volontà di ridurre le emissioni inquinanti. Questi obiettivi hanno portato allo sviluppo di diversi metodi numerici per le simulazioni dei motori a combustione, spazianti da forme totalmente 3D fino a più semplici modelli mono-dimensionali. Il modello 1Dcell, appositamente designato per il software Gasdyn al Politecnico di Milano, è un modello quasi-3D che si pone come via intermedia tra i costosi tempi computazionali richiesti da un modello 3D e i veloci, ma meno accurati, metodi 1D. La soluzione di questo metodo è basata su un approccio a griglia sfalsata: le equazioni di massa ed energia sono infatti valutate nei centri cella, mentre l’equazione del momento è applicata ai connettori. Le equazioni di Navier-Stokes sono risolte lungo la direzione preferenziale del flusso, strategia che è usata anche dagli altri metodi già implementati in Gasdyn. Nel primo capitolo della tesi queste equazioni fondamentali e i classici modelli per risolverle sono presentati. L’obiettivo della tesi è quello di migliorare il metodo 1Dcell, in primo luogo aggiungendogli la capacità di catturare e risolvere i flussi supersonici, poi concentrandosi invece sull’accoppiamento con le condizioni al contorno che, fino ad ora, richiedeva l’utilizzo di una routine specifica. Inoltre, una nuova procedure per la valutazione e l’aggiornamento dei vettori soluzione W è stata presentata, insieme a una nuova routine in grado di riconoscere e gestire eventuali cambiamenti nella grandezza della mesh, portando a un significativo miglioramento dell’accuratezza delle simulazioni. Infine, il nuovo codice è stato testato su diversi motori, inizialmente con una mesh fitta, per verificare l’affidabilità delle modifiche fatte, poi andando ad allargare la mesh fino a 5 e 10 cm, nell’ottica di ridurre significativamente il tempo di calcolo con l’obiettivo di arrivare a un Fast-Running model. Tutte queste modifiche sono state validate, equiparando i risultati ottenuti con un metodo affidabile, i.e. il Corberan-Gascon-TVD, e saranno presentate durante la discussione di questa tesi.