1-D fluid dynamic modelling and analysis of pipe junctions in IC engines

Since the invention of the internal combustion engine, there has been continuous research for the modification and improvements in their performances adopting numerous diversified approaches with the use of various methods and technologies. Early stages for these research activities involved expensive experimental processes. Numerical models being faster and cheaper in comparison to the experimental models were developed eventually to model the complex unsteady fluid dynamic phenomena which provide a basis in the design stages of the internal combustion engines and are used to predict the engine behaviour at various operating conditions. Multiple diversified models implemented vary in terms of their hypothesis, accuracy in results, application, and computational times. The objective of this thesis is to analyse, improve and contribute to computational codes used by simulation tool Gasdyn for the solution of junctions in the exhaust and intake manifolds of internal combustion engines. The fundamental conservation equations and the associated numerical techniques used for the solution are presented initially. The attention is then focussed to the various junction types and their characteristics. Different models adopted for the solution of junction boundary conditions are described and compared which includes the constant pressure model and pressure loss models. The focus is then centred on the computational codes referred to as subroutines, used for the solution of different junction types based on the theoretical constant pressure model. The application and results of the subroutines are analysed for different engine configurations. In the end, a new general subroutine is developed which is capable to provide the solution of all junction types using a single computational code and is more accurate and robust. The result from the new subroutine is validated by substituting the old computational code for each of old subroutines individually and then simultaneous substitution is performed to finally validate the new subroutine. The development of new general subroutine was successful which was verified by the results of substitution. The new subroutine has now successfully been incorporated in Gasdyn software in place of the previous subroutines for solution of different junction types.

Dall'invenzione del motore a combustione interna, vi è stata una continua ricerca per la modifica e il miglioramento delle loro prestazioni adottando numerosi approcci diversificati con l'uso di vari metodi e tecnologie. . I modelli numerici, essendo più veloci ed economici rispetto ai modelli sperimentali, sono stati infine sviluppati per modellare i complessi fenomeni fluidodinamici instabili che forniscono una base nelle fasi di progettazione dei motori a combustione interna e sono utilizzati per prevedere il comportamento del motore in varie condizioni operative. I molteplici modelli diversificati implementati variano in termini di ipotesi, accuratezza dei risultati, applicazione e tempi di calcolo. L'obiettivo di questa tesi è analizzare, migliorare e contribuire ai codici computazionali utilizzati dallo strumento di simulazione Gasdyn per la soluzione delle giunzioni nei collettori di scarico e di aspirazione dei motori a combustione interna. Inizialmente vengono presentate le equazioni fondamentali di conservazione e le relative tecniche numeriche utilizzate per la soluzione. L'attenzione è poi rivolta alle varie tipologie di giunzione e alle loro caratteristiche. Vengono descritti e confrontati diversi modelli adottati per la soluzione delle condizioni al contorno di giunzione che includono il modello a pressione costante ei modelli di perdita di pressione. Il focus è poi centrato sui codici computazionali denominati subroutine, utilizzati per la soluzione di diversi tipi di giunzioni in base al modello teorico a pressione costante. L'applicazione ei risultati delle subroutine vengono analizzati per diverse configurazioni del motore. Alla fine, viene sviluppata una nuova subroutine generale in grado di fornire la soluzione di tutti i tipi di giunzione utilizzando un unico codice computazionale ed è più accurata e robusta. Il risultato della nuova subroutine viene convalidato sostituendo il vecchio codice di calcolo per ciascuna delle vecchie subroutine individualmente e quindi viene eseguita la sostituzione simultanea per convalidare finalmente la nuova subroutine. Lo sviluppo di una nuova subroutine generale ha avuto successo, il che è stato verificato dai risultati della sostituzione. Le nuove subroutine sono state ora incorporate con successo nel software Gasdyn al posto delle precedenti subroutine per diversi tipi di giunzione.