Finite volume simulation of cold flow through a heavy duty two stroke marine diesel engine

The thesis aims to show a computational fluid dynamics study of a two-stroke large marine diesel engine to evaluate its performances. Such powertrain is become relevant given its intrinsic high power to weight ration and possibility to achieve high thermal efficiency. Particularly the simulation is composed of a single cylinder with multiples intake in the bottom and a single poppet valve in the top. The geometry is not exactly finalized but inside the code lies a high degree of flexibility which allow for any modification of the key engine parameters. The change can be done into a costume GUI in which the parameters can be easily imputed, and the base mesh rebuilt. One of the main features of the case are moving boundaries and dynamic mesh adaptation to allow the piston motion inside the cylinder. sliding interface to properly represent the opening and closure of the intake ports in the cylinder as the mass flow needs to travel from the intake duct to the cylinder chamber with a progressively smaller section once the piston starts to cover the transfer ports. Represent the flow features as best as possible is necessary to produce meaningful results and several iterations has been done on the hexahedron mesh giving special care to align it with the flow. Special care had been given to the valve area in which two possible solutions has been developed the first using an external valve STL (Standard Triangle Language) file which allow the mesh to be built around it, this method allow for ease of modification of geometry curvature and dimensions. The second and ultimately preferred method has been to design everything into the base mesh which is more cumbersome once changes are made but it guarantees a more precise mesh which has also fewer elements. The performances of the design can be evaluated using a scalar transport model which has been custom coded into the engine solver used for the case. The use of such models gives the possibility to follow the flow inside the engine ensuring that all conditions were physically relevant. Similarly, the profiles of velocity, pressure and turbulent kinetic energy especially in contact with the various solid surfaces, were taken into consideration and compared with what should be the physical behaviour of the fluid in that specific condition.

L’oggetto di studio è una campagna di simulazioni fluidodinamiche di motore diesel marino a due tempi con lo scopo principale di valutarne le prestazioni in assenza di una detonazione. Tale gruppo propulsore è diventato rilevante data la sua intrinseca elevata potenza in rapporto al peso e la possibilità di raggiungere un'elevata efficienza termica. In particolare, è stato modellato un unico cilindro multipli condotti di aspirazione nella parte bassa e una sola valvola a fungo in alto. La geometria non è stata volutamente finalizzata ma all'interno del codice risiede un alto grado di flessibilità che consente qualsiasi variazione dei parametri chiave del motore. L’immissione di nuovi parametri può essere eseguita in una GUI sviluppata da zero con lo scopo di facilitare la modifica dei vari input e rigenerare la mesh di base. Una delle caratteristiche principali del caso sono le pareti mobili e l'adattamento dinamico della mesh per consentire il movimento del pistone all'interno del cilindro. È stata utilizzata un’interfaccia scorrevole per rappresentare correttamente l'apertura e la chiusura delle luci di aspirazione nel cilindro poiché il flusso di massa deve andare dal condotto di aspirazione alla camera del cilindro con una sezione progressivamente più piccola una volta che il pistone inizia a coprire le luci di trasferimento. Rappresentare le caratteristiche del flusso nel miglior modo possibile è necessario per produrre risultati significativi e sono state eseguite diverse iterazioni sulla mesh totalmente composta da quadrilateri prestando particolare attenzione all'allineamento con il flusso. Una delle parti più delicate è data alla zona della valvola in cui sono state sviluppate due possibili soluzioni la prima utilizzando un file STL della valvola esterna che consente di costruire la mesh attorno ad esso, questo metodo consente di modificare facilmente la curvatura della geometria e dimensioni. Il secondo e metodo preferito è stato quello di progettare tutto nella mesh di base che è meno diretto ma una volta apportate le modifiche garantisce maggior precisone che ha anche meno elementi. Le prestazioni del progetto possono essere valutate utilizzando un modello di trasporto scalare che è stato codificato in modo personalizzato nel risolutore del motore utilizzato per il caso. Questo ha garantito dato la possibilità di seguire il flusso all’interno del motore garantendo che tutte le condizioni i fossero fisicamente rilevanti. Allo stesso modo sono stati presi in considerazione i profili di velocità pressione ed energie cinetica turbolenta specialmente a contatto con le varie superfici solide e confrontati con quella che dovrebbe essere il comportamento fisico del fluido in quella specifica condizione.