Fast simulation numerical methods for 1D fluid-dynamics : improvement and applications to a turbocharged IC engine

Internal combustion engines fluid-dynamics has been improved in the last years, since it has become crucial to predict their behaviour to evaluate design and performances, which leads to the aim of reducing pollutant emissions. Different numerical methods, which range from fully 3D to simplified 1D models, are used for these purposes, as their development are at the center of the prediction of flow actions. The main solver used in this thesis is 1DCell method, developed for the software GasdynPre in Politecnico di Milano, which is a quasi-3D approach and 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 equation of mass and energy are solved at cell centres, whereas the momentum equation is applied to cell connectors. Being this method effective when applied to internal combustion engine dynamics, it has been modified to solve Navier-Stokes equation along the main flux direction, using the know-how regarding strategies already applied for other methods implemented in Gasdyn. Hence, the assumption for mono-dimensional flow gives the name to the method. In the first and the second chapters the fundamental equations are described, along with the classic and reference numerical methods used as solvers. The next faced steps are the improvements proposed for 1DCell. The development of a new update in each simulated cycle of the diffusivity coefficient ε is characterised by the choice of including both the incoming and exiting quantities from the adjacent ports with respect to the considered cell. This improves the stability of the method, helping in ending without errors the computation of the engine maps, which give a picture of the main characteristics of the engine, and in avoiding unwanted oscillations in the instantaneous quantities, which are used to analyse the behaviour of the engine in all the points of the scheme. The analysis is then concerned to the application of the numerical method to enlarged meshes with the aim of achieving reliable Fast Simulation model. The results of the Nissan-Renault turbocharged engine are compared with the experimental data, using the cited method and the more stable Corbean-Gascon-TVD, presented as reference numerical solver in the thesis. To correctly achieve accurate results, the importance of creating a precise new coarse mesh scheme, starting from a fine one of 1 cm, is pointed out, along with a series of rules to stick to, avoiding mistakes and simulation errors. In addition, a new routine of automatic creation of enlarged mesh is implemented in the software and tested, reducing significantly the spent time in this procedure, as well as eliminating eventual wrong passages in the operation. All these developments are presented in the dissertation of this thesis.

La fluidodinamica dei motori a combustione interna è stata migliorata negli ultimi anni, in quanto è diventato cruciale per conoscere il suo comportamento e dimensionare design e performance, con il fine di raggiungere l’obbiettivo di ridurre le emissioni inquinanti. Diversi metodi numerici, che vanno da modelli completi 3D a semplificati 1D, sono usati con questi scopi, in quanto il loro sviluppo è al centro dello studio delle azioni dei flussi. Il solutore principale usato in questa tesi è il metodo 1DCell, sviluppato per il software GasdynPre al Politecnico di Milano, il quale ha un approccio quasi-3D e spazia tra l’analisi di fluidodinamica computazionale 3D, che richiede alte tempistiche, e la più veloce ma meno accurata modellazione 1D. La risoluzione usata da questo metodo si basa su un approccio a griglia sfalsata: le equazioni di massa ed energia sono infatti valutate nei centri cella, mentre l’equazione di momento è applicata ai connettori. Essendo questo metodo efficace quando applicato alle dinamiche dei motori a combustione interna, è stato modificato per risolvere le equazioni di Navier-Stokes lungo la direzione principale del flusso, usando le conoscenze pregresse relative alle strategie già applicate per altri metodi implementati in Gasdyn. Pertanto, l’assunzione per flussi monodimensionali dà il nome al metodo. Nei primi due capitoli, le equazioni fondamentali sono descritte, così come i classici metodi numerici di riferimento, utilizzati come risolutori. I passi successivi affrontati sono i miglioramenti proposti per 1DCell. Lo sviluppo di un nuovo aggiornamento in ogni ciclo simulato per il coefficiente di diffusione ε è caratterizzato dalla scelta di includere entrambe le quantità entranti ed uscenti dalle porte adiacienti alla cella considerata. Questo aumenta la stabilità del metodo, aiutando a concludere senza errori il calcolo delle mappe, che restituiscono la caratteristiche principali del motore, e ad evitare oscillazioni non volute nelle quantità istantanee, che sono usate nell’analisi del comportamento del motore in tutti i punti dello schema. L’analisi verte ora sull’applicazione del metodo numerico su mesh lasche, con l’obbiettivo di ottenere un modello di simulazione veloce affidabile. I risultati del motore turbo Nissan-Renault sono comparati con i dati sperimentali, usando il metodo citato e il più stabile Corbean-Gascon- TVD, presentato come risolutore numerico di riferimento nella tesi. Per ottenere correttamente risultati accurati, l’importanza nel creare un nuovo preciso schema per una mesh lasca, partendo da una fine di un 1 cm, è analizzato, con una serie di regole da seguire, evitando errori nella simulazioni. In aggiunta, una nuova routine per la creazione automatica di mesh lasche è sviluppata nel software e testata, riducendo significativamente il tempo speso in questa procedura, così come eliminando eventuali passaggi errati nell’operazione.