Development of advanced mesh management strategies for full-cycle CFD simulation of ICEs

This thesis work is dedicated to the development of some advanced pre-processing methodologies in the context of full-cycle Computational Fluid Dynamics simulation of internal combustion engines. The study has been carried out using OpenFOAM, exploiting the additional features of the libraries developed by ICE Group at Politecnico di Milano, the LibICE. The continuous development of engines technologies introduces complex and advanced features that strongly affect power unit behaviour. The capability of modeling and reproducing such features is of primary importance in the context of numerical analysis. The availability of computational resources limits the overall procedure; improvements are expected to match both accuracy and resources utilization requirements. The development proposed in this thesis work aims to reduce both the time required for the pre-processing and simulation phase, without introducing penalties on results accuracy. The former is obtained through the utilization of a dual-step methodology to generate internal combustion engine meshes, decoupling fixed and moving components. The latter is associated to the implementation of an advanced deforming mesh algorithm that considers mesh quality indexes to compute computational grid elements motion. Finally, the eventual application of an alternative meshing tool, cfMesh, is tested considering both the capability of meshing engine fixed con gurations and the generation of a full-cycle set of meshes.

Questa tesi si occupa dello sviluppo di alcune metodologie avanzate per la fase di setup del modello numerico in ambito di simulazioni di fluidodinamica computazionale di motori a combustione interna, considerando il ciclo operativo completo. Lo studio è stato effettuato usando OpenFOAM, sfruttando le caratteristiche aggiuntive delle librerie sviluppate dal gruppo ICE del Politecnico di Milano, raggruppate nella LibICE. Lo sviluppo continuo delle tecnologie utilizzate per i motori introduce caratteristiche complesse che influenzano fortemente il comportamento del motore stesso. La capacità di modellare e rappresentare queste caratteristiche è di primaria importanza considerando l'ambito dell'analisi numerica. La disponibilità di risorse computazionali rappresenta un limite per l'intera procedura, per questo motivo sono attesi miglioramenti che rispettano certe condizioni sia dal punto di vista dell'accuratezza che dell'utilizzo di risorse computazionali. Gli sviluppi presentati in questa tesi hanno l'obbiettivo di ridurre il tempo necessario per il setup e per effettuare la simulazione, senza penalizzare l'accuratezza dei risultati. L'utilizzo di una procedura eseguita in due step, disaccoppiando i componenti fissi e quelli mobili, permette di ridurre la durata della fase di setup. Per quanto riguarda l'effettivo tempo necessario per la simulazione, viene proposta l'implementazione di un avanzato algoritmo per deformare una mesh che considera degli indici di qualità della griglia per calcolare il movimento dei suoi elementi. Infine, viene testata l'eventuale applicazione di un alternativo strumento per la generazione di mesh, cfMesh, considerando la capacità di ottenere griglie computazionali per fisse configurazioni e il comportamento della mesh durante la preparazione del completo ciclo operativo.